專利名稱：電弧焊接方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明涉及電弧焊接技術(shù)，且更具體地說涉及適用于管道焊接(特別是在開放根部接合中的根部通過期間)的電弧焊接的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
短路型電弧焊接技術(shù)是本領(lǐng)域中已知的，象俄亥俄州Cleveland的Lincoln電氣公司銷售并在授予Stava的美國(guó)專利第5,001,326號(hào)的背景部分中描述的STT焊接機(jī)，該專利在此被引作參考文獻(xiàn)，以說明STT 焊接機(jī)的細(xì)節(jié)和用于實(shí)施本發(fā)明的某些特征。本發(fā)明采用了高頻開關(guān)電源，較好地采用一個(gè)逆變器?？墒褂没谀孀兤鞯母鞣N焊接機(jī)；然而，一種有代表性的焊接機(jī)作為逆變焊接機(jī)而在在此引用的Blankenship的美國(guó)專利第5,351,175號(hào)中得到了描述。
俄亥俄州Cleveland的Lincoln電氣公司銷售的STT電弧焊接機(jī)已經(jīng)被用于管道焊接，其中來自行進(jìn)的焊絲的熔化金屬淀積到相鄰管道段的兩個(gè)并置的端部之間的開放根部接合部中的焊接熔池中。該開放根部接合部沿著圓形的路徑在管道的周圍延伸，該路徑可能會(huì)由于軸向偏離而有所變化。管道段之間的接合部是通過使彼此相距且大體平行地終止的壁會(huì)聚而形成的，以限定一個(gè)分離間隙，該間隙被稱為開放根部。管道段或板的端部之間的隙不是一個(gè)固定的距離，因而焊接機(jī)在開放根部周圍行進(jìn)時(shí)會(huì)遇到具有各種間隔的間隙。如在Stava的美國(guó)專利第5,001,326中所描述的，該STT焊接機(jī)帶有一個(gè)觸頭保持件，而行進(jìn)的焊絲通過它，從而使焊接電流能夠直接通過該保持件而到達(dá)行進(jìn)的焊絲并隨后進(jìn)入形成在管道段的端部之間的焊接熔池中。該熔池橋接該隙，以形成管道焊接操作的根道。該STT焊接機(jī)采用了高頻開關(guān)電源，以產(chǎn)生分明的短路電流波形。這種頻率涉及到電源的操作頻率而不涉及焊接過程的頻率。在焊接領(lǐng)域中的電極的伸出或延伸是觸頭保持件與焊接熔池之間的距離。當(dāng)相鄰的管道段形成的板的端部之間的間隙變化時(shí)，管道焊接操作中的電弧焊接的第一次通過形成的熔池改變形狀。這種改變產(chǎn)生了管道焊接過程中的已知的問題。
如在Stava的美國(guó)專利第5,001,326號(hào)中描述的，作為STT電弧焊接機(jī)的高頻開關(guān)電源的目的，是在焊絲向著熔化的熔池行進(jìn)時(shí)，保持電極的端部上的熔化金屬球的均勻的體積。該專利公布了STT的控制系統(tǒng)如何能夠被用來檢測(cè)和測(cè)量形成電極端部上的熔化金屬球的實(shí)際瓦數(shù)。這種瓦數(shù)被設(shè)定為一個(gè)范圍，并被從一個(gè)焊接周期保持到下一個(gè)周期。當(dāng)電極的伸出改變時(shí)，焊接電流得到調(diào)節(jié)，以根據(jù)在焊接操作開始時(shí)獲得的預(yù)置的基準(zhǔn)瓦數(shù)來保持一個(gè)恒定的瓦數(shù)。以此方式，在各個(gè)焊接周期中產(chǎn)生電流尺寸恒定的球。當(dāng)采用STT電弧焊接機(jī)時(shí)，如果焊接電流輸入端發(fā)生改變以補(bǔ)償電極伸出的改變，則短路頻率將改變。這種改變的頻率不是電源的開關(guān)頻率，而是焊接短路頻率。當(dāng)電極伸出減小時(shí)，在行進(jìn)的球中的熔化金屬的體積減小，且弧長(zhǎng)度略微減小。熔化金屬球的尺寸的這種減小造成了焊接操作中短路電路之間的時(shí)間的減小。這增大了短路頻率，如由單位時(shí)間的短路次數(shù)所確定的。相反，如果電極延伸或伸出增加，電極的熱量增加。如果沒有電流調(diào)節(jié)，在行進(jìn)的焊絲端部上的熔化金屬的體積增大。這略微增大了弧長(zhǎng)度，從而增大了短路電路之間的時(shí)間，而減小了焊接機(jī)的短路頻率。這種管道焊接STT使用中的頻率改變還沒有被作為測(cè)量參數(shù)。
該STT被用于管道焊接，以允許手動(dòng)穿過控制和使熱量進(jìn)入熔池；然而，它沒有解決把第一個(gè)道置入一個(gè)開放根部接合部時(shí)間隙的寬度變化所面對(duì)的問題。Stava的美國(guó)專利第5,001,326沒有教導(dǎo)在STT焊接機(jī)的使用中測(cè)量伸出以保持給定的球尺寸的方法。在電極或焊絲被短路時(shí)，短路的電極上的電壓降得到測(cè)量和記錄。焊接電流的值在此測(cè)量期間是基本固定的。因此，檢測(cè)或測(cè)量的電壓與焊絲的伸出成正比。這種測(cè)量的伸出電壓在幾個(gè)周期上得到平均，并隨后被存儲(chǔ)在諸如電容器的存儲(chǔ)器中。在Stava專利中，該存儲(chǔ)值在隨后的焊接周期中被乘以電流峰值。這種相乘的結(jié)果是各個(gè)焊接周期期間的瓦數(shù)的一種量度。計(jì)算出的瓦數(shù)被存儲(chǔ)在諸如電容器的存儲(chǔ)器中，并被稱為“基準(zhǔn)瓦數(shù)”。這種基準(zhǔn)瓦數(shù)是在焊接開始時(shí)根據(jù)一種得到調(diào)節(jié)的伸出而獲得的。隨后，該基準(zhǔn)瓦數(shù)被用來與即時(shí)瓦數(shù)進(jìn)行比較。一個(gè)控制軟件程序把該即時(shí)瓦數(shù)保持在基準(zhǔn)瓦數(shù)。這種總體控制方案，如在Stava的美國(guó)專利第5,001,326號(hào)中所示，被用來在焊絲在短路條件期間向著熔池行進(jìn)時(shí)保持焊絲端部上的熔化金屬的固定體積，而不論伸出的改變?nèi)绾巍]有教導(dǎo)在焊接過程中改變伸出以控制焊接過程。沒有教導(dǎo)改變單個(gè)的通過期間產(chǎn)生的熱量。行進(jìn)的焊絲的伸出被用來在焊接周期的焊絲熔化部分中保持恒定的瓦數(shù)。
把諸如STT電弧焊接機(jī)的高頻開關(guān)電源用于管道焊接是眾所周知的。然而，當(dāng)在第一次通過期間把根道置于管道段之間的開放根部接合部中時(shí)，電源不能自動(dòng)地補(bǔ)償管道段之間的間隙的改變。當(dāng)間隙寬時(shí)，熔池落入間隙。當(dāng)間隙窄時(shí)，熔池不穿過間隙。因此，需要用手動(dòng)來應(yīng)付所產(chǎn)生的變化。需要在管道焊接或其他重板焊接中遇到的開放根部接合部中控制初始道的焊接操作。
Lincoln電氣公司銷售的STT焊接機(jī)是一種短路電弧焊接機(jī)，在高頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)上工作的，以產(chǎn)生如Stava的美國(guó)專利第5,001,326號(hào)中的圖4所示的電流曲線。這種焊接機(jī)在商業(yè)上是成功的；然而，它不具有相同的恒定電壓焊接機(jī)的能力，焊接熔池的溫度能夠只由電極的伸出的改變來控制。這是對(duì)焊接機(jī)產(chǎn)生STT電流曲線的一種限制。因此，管道焊接中重要的熔池溫度，當(dāng)通過干涉或預(yù)置焊接電流而使用STT焊接機(jī)時(shí)，得到了調(diào)節(jié)。即使有這種限制，該STT焊接機(jī)也比產(chǎn)生過度的熔池?zé)崃康暮愣妷汉附訖C(jī)優(yōu)越。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及在諸如管道焊接的板焊接過程的開放根部接合部中設(shè)置第一道的設(shè)備和方法。這種方法和設(shè)備采用了高頻開關(guān)電源，較好地是來自林肯電氣公司的STT焊接機(jī)。本發(fā)明將結(jié)合這種類型的電弧焊接機(jī)和管道焊接中的根道的采用而得到描述；然而，本發(fā)明是范圍比這要寬得多，并可被用于被用在諸如重板端部和管道段端部之間的第一次通過的開放根部通過的其他電弧焊接機(jī)。本發(fā)明還可被用于開放根部接合部中隨后的通過。
根據(jù)本發(fā)明，該電弧焊接機(jī)自動(dòng)補(bǔ)償間隙的改變。這種調(diào)節(jié)不保持恒定的瓦數(shù)，如在在此引用的Stava專利中所公布的。該專利公布了一種作為STT焊接機(jī)而銷售的高頻焊接機(jī)，和對(duì)在焊接過程中測(cè)量焊絲的伸出的教導(dǎo)。在焊接過程中測(cè)量伸出的能力，沒有被用在商業(yè)STT上，但被用在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中。當(dāng)在管道焊接過程中設(shè)置初始根道時(shí)經(jīng)歷的間隙變化，可由即時(shí)伸出來確定。當(dāng)焊接具有變化的寬度的間隙的開放根部接合部時(shí)，熔化的金屬熔池在間隙寬時(shí)下凹通過間隙。這種物理現(xiàn)象導(dǎo)致了焊絲伸出的增大。這種伸出能夠被Stava專利中顯示的電路檢測(cè)。當(dāng)然，幾個(gè)電路可采用不同的高頻電源來測(cè)量即時(shí)伸出。如果該間隙太窄，初始根道不穿過到間隙中。伸出減小。當(dāng)采用短路過程時(shí)，這種減小的伸出被諸如Stava中顯示的電路所檢測(cè)。因此，本發(fā)明是測(cè)量即時(shí)伸出以確定焊接過程中的板之間的間隙的構(gòu)思。伸出測(cè)量確定了熔池加熱所需的改變。因此，焊接電流在間隙窄時(shí)增大，并在間隙寬時(shí)減小。
通過采用伸出測(cè)量，本發(fā)明能夠被用于控制焊接接合中的焊接。如果采用逆變焊接，其中焊絲在沿著間隙的焊接過程中跨過間隙作橫向移動(dòng)，電極伸出在焊絲接近形成接合部的發(fā)散壁時(shí)變化。因此，伸出的測(cè)量，在電極在開放根部焊接過程中橫向移動(dòng)時(shí)，提供了有關(guān)焊接頭的位置的信息。本發(fā)明的一種更廣的限定是在焊接過程中采用受到測(cè)量的伸出，以控制焊接過程的控制參數(shù)。受到控制的參數(shù)是焊接電流或焊接頭方向等。
本發(fā)明特別適用于管道焊接，其中伸出的測(cè)量提供了有關(guān)根開放的間隙中的改變和/或電極相對(duì)于根接合的中心線的位置的信息。當(dāng)根開放增大時(shí)，焊接熔池傾向于通過間隙而下落到管道之內(nèi)。本發(fā)明通過檢測(cè)電極伸出的增大而檢測(cè)這種情況的開始。本增大的伸出被用來通過減小焊接電流而減小焊接熔池的熱量。這是通過減小背景或峰電流或兩種電流而實(shí)現(xiàn)的。因此，焊接熔池溫度被降低。這造成了道中的熔化金屬的固化，以防止金屬下落通過間隙。當(dāng)根間隙減小時(shí)，檢測(cè)到的電極伸出由于熔化金屬不通過間隙而也減小。熔化熔池累積在間隙頂部上。因此，當(dāng)檢測(cè)到伸出的減小時(shí)，電流被增大以減小接合部中的熔化金屬熔池中的熱量。較熱的熔池穿入窄的間隙，造成沿著間隙的總深度的板端部的適當(dāng)熔合。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，在設(shè)置了根通過之后，伸出的測(cè)量可被用于接縫跟蹤。檢測(cè)到的伸出信息被用于前后移動(dòng)焊頭。焊頭的出板位置可作為電極伸出的減小而得到檢測(cè)。當(dāng)焊頭移到接合部的外部時(shí)，伸出小。當(dāng)電極移過接合部時(shí)，電極伸出的長(zhǎng)度將變化，且最短處在接合部之外。當(dāng)電極到達(dá)接合部的一側(cè)時(shí)，它反向移向另一側(cè)。電極的伸出將先增大且隨后減小。通過表明何時(shí)電極或焊頭的橫向移動(dòng)應(yīng)該被停止或倒轉(zhuǎn)，對(duì)伸出信息的使用控制了焊頭裝置。這種作用在焊接操作期間產(chǎn)生了焊頭的蛇行圖案并能夠進(jìn)行接合部跟蹤。
通過利用伸出信息，本發(fā)明的電弧焊接機(jī)自動(dòng)檢測(cè)了間隙的改變—這種改變會(huì)造成不利的道形狀。另外，電極相對(duì)于接合部的傾斜或發(fā)散側(cè)的沿著橫向方向的板外位置得到探測(cè)，以在適當(dāng)位置進(jìn)行反向。這兩種分離的函數(shù)可通過測(cè)量伸出而預(yù)測(cè)。伸出測(cè)量可借助由所進(jìn)行的焊接過程確定的電路來實(shí)現(xiàn)。在Stava的美國(guó)專利第5,001,326號(hào)中所示的短路處理中，公布了一種適當(dāng)?shù)碾娐罚糜跍y(cè)量電極保持件與焊接熔池的熔化金屬之間的伸出。
本發(fā)明被用于半自動(dòng)或自動(dòng)焊接操作。焊接功率或熱量可通過采用本發(fā)明而得到改變。通過在焊頭沿著一個(gè)接合部行進(jìn)期間改變電極伸出，可在接合部中的選定位置改變加熱。例如，在借助機(jī)器人焊接機(jī)焊接一個(gè)接合部時(shí)，如果部件的幾何尺寸使得在一定一個(gè)部位需要更多或更少的熱量，電極延伸得到改變以調(diào)節(jié)焊接操作的加熱。本發(fā)明的這種使用不一定要求改變焊接機(jī)的控制設(shè)定。設(shè)定保持不變，但所希望的伸出長(zhǎng)度得到改變以進(jìn)行控制。根據(jù)本發(fā)明的另一種用法，伸出被用于一個(gè)焊接通過的接縫跟蹤，從而使焊接頭的運(yùn)動(dòng)受到接合部路徑的實(shí)際控制。在沿著接合部的一次通過中被焊頭所經(jīng)過的路徑被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。機(jī)器人焊接設(shè)備隨后的焊接通過重復(fù)第一次通過中存儲(chǔ)的該路徑。因此，焊接機(jī)的隨后的通過沿著第一道的存儲(chǔ)路徑。
本發(fā)明的一個(gè)首要的方面，是測(cè)量開放根部焊接過程中焊接操作期間的伸出或電極延伸。伸出值，通過控制最大電流、背景電流、或其他電流，控制了焊接操作的等離子體部分期間的電流。實(shí)際上，在STT焊接周期的等離子體部分中使用的電流的總合，可根據(jù)檢測(cè)的伸出或電極延伸，而得到控制。在一種STT焊接機(jī)中，伸出測(cè)量也借助焊接機(jī)的短路頻率而得到檢測(cè)。通過測(cè)量STT焊接過程中的短路頻率，表示電極伸出的信號(hào)得到產(chǎn)生。因此，本發(fā)明的另一方面是測(cè)量短路焊接操作的短路頻率和改變弧焊接電流以保持大體均勻的短路頻率。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種電弧焊接設(shè)備，以從行進(jìn)的焊絲把熔化金屬淀積到兩個(gè)并置的板之間的一個(gè)開放根部中的焊接熔池中。這些板可以是管道段的端部，這是本發(fā)明的較好的使用。接合部限定了一個(gè)焊接路徑，并由終止于大體平行相距的壁的會(huì)聚的壁形成，以限定在接合部的根部處的一個(gè)間隙。該焊接設(shè)備包括了帶有一個(gè)焊絲出口的觸頭保持件。在焊接操作的第一道期間，當(dāng)焊絲從該出口移向接合部的根開放部分時(shí)，一個(gè)開關(guān)電源把一個(gè)焊接電流引至焊絲。根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，開關(guān)電源是一個(gè)STT焊接機(jī)，它具有如Stava的美國(guó)專利第5,001,326號(hào)中公布的波形。行進(jìn)的焊絲限定了觸頭保持件與焊接熔池之間的電極伸出。根據(jù)本發(fā)明，伸出的長(zhǎng)度得到檢測(cè)，且焊接電流作為檢測(cè)到的伸出長(zhǎng)度的函數(shù)而得到調(diào)節(jié)。較好地，這種函數(shù)是與增大的伸出成反向的關(guān)系，從而導(dǎo)致進(jìn)入熔池的電流或熱量的減小。當(dāng)采用STT焊接機(jī)時(shí)，該電源是一種短路弧焊接機(jī)，它具有在短路狀態(tài)和弧或等離子體狀態(tài)之間交替的不同的電流電平。焊接的熱量在準(zhǔn)確性狀態(tài)下得到控制，且伸出在短路狀態(tài)下利用適當(dāng)?shù)碾娐返玫綔y(cè)量，在Stava的美國(guó)專利第5,001,326號(hào)中顯示了該電路中較好的一種。
本發(fā)明的廣泛的方面是測(cè)量伸出或延伸并利用其來控制焊接熔池中的熱量。作為本發(fā)明的一種替換應(yīng)用，伸出被用來控制焊接過程中的其他參數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，伸出是即時(shí)測(cè)量的，并被用于一種微處理器軟件程序中，以從一個(gè)查詢表、ROM、RAM、PROM數(shù)學(xué)計(jì)算或其他算法中選擇一個(gè)所希望的電流波形。該查詢表、ROM、RAM、PROM或軟件算法的輸出隨后被用在一個(gè)軟件誤差放大器中，以比較實(shí)際的電流，該電流可以是焊接周期期間的總電流的積分，以把焊接電流調(diào)節(jié)至檢測(cè)到的伸出所表明的所希望的電平。該電流調(diào)節(jié)通過改變峰值電流、背景電流等而改變了STT波形。
根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，提供了一種方法，用于把熔化金屬?gòu)男羞M(jìn)的焊絲上淀積到在平整的大板產(chǎn)生的兩個(gè)并置的板或管道段的端部之間的開放根部接合部處的焊接熔池中。該開放根部沿著一個(gè)焊接路徑延伸，并通過通過會(huì)聚終止于大體平行的、相距的壁而形成，以限定一個(gè)間隙。該方法涉及通過首先檢測(cè)焊絲的伸出長(zhǎng)度并隨后作為檢測(cè)到的伸出長(zhǎng)度的一個(gè)函數(shù)來調(diào)節(jié)焊接電流，而通過一個(gè)高頻開關(guān)電源而在焊絲向著開放根部中的間隙行進(jìn)時(shí)把焊接電流引至焊絲。這種方法的一種較好的實(shí)施，涉及其中伸出與電流反向相關(guān)的一個(gè)函數(shù)。當(dāng)伸出增大時(shí)，電流減小。以一種類似的方式，當(dāng)伸出減小時(shí)，電流增大。這種概念被用于補(bǔ)償沿著一個(gè)開放根部焊接過程的接合部的不同，諸如管道焊接過程中的第一次通過。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，檢測(cè)的伸出或電極延伸被用于使攜帶焊絲保持件并作蛇行方式的運(yùn)動(dòng)的焊頭的運(yùn)動(dòng)反向。這個(gè)概念在根道已經(jīng)被設(shè)置之后得到采用。當(dāng)利用本發(fā)明的這個(gè)方面時(shí)，伸出的長(zhǎng)度在攜帶焊絲的焊頭沿著與接合部相交的第一方向運(yùn)動(dòng)時(shí)得到檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到的伸出處于給定的減小的值時(shí)，焊絲的橫向方向被反向。這種反向在接合部的相對(duì)側(cè)被重復(fù)，從而使電極作跨過接合部的前后運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明的這種特征，在間隙或根開放增大或減小時(shí)，或當(dāng)接合部的路徑不一致時(shí)，是特別有利的。利用本發(fā)明的這個(gè)方面，焊頭跟蹤了接合部的實(shí)際路徑。當(dāng)焊頭的橫向運(yùn)動(dòng)在固定位置自動(dòng)反向時(shí)，不會(huì)獲得這種接合部跟蹤，而不論接合部的幾何形狀如何。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的一個(gè)方面，產(chǎn)生STT電流曲線的短路焊接機(jī)得到修正，從而測(cè)量伸出并隨后調(diào)節(jié)焊接電流，以改變?nèi)鄢販囟?，這是一個(gè)重要的改變，因而低熱量STT焊接機(jī)能夠通過只改變焊絲伸出而調(diào)節(jié)熔池溫度來操作類似的恒定電壓弧焊接機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，用在該焊接設(shè)備和方法中的焊絲是一種管狀電極。因此，在管道焊接操作期間不需要屏蔽氣體。這在通常進(jìn)行管道焊接的遙遠(yuǎn)的地區(qū)是有利的。
本發(fā)明的主要目的，是提供用于通過檢測(cè)電極的伸出并調(diào)節(jié)電流以改變焊接熔池中的熱量而控制在開放根焊接過程中至一個(gè)熔池的熱量的方法和設(shè)備。這種目的解決了由于接合部的開放根部處的間隙的變化而產(chǎn)生的問題。
本發(fā)明的再一個(gè)目的，是提供一種如上限定的設(shè)備和方法，該設(shè)備和方法補(bǔ)償當(dāng)焊接第一個(gè)根通過時(shí)開放根部接合部的間隙的改變，特別在管道焊接操作中。
本發(fā)明的再一個(gè)目的，是提供一種如上限定的設(shè)備和方法，該設(shè)備和方法使攜帶電極的焊頭能夠跟蹤兩個(gè)板端部或管道段之間的開放根部接合部，而不論接合部的輪廓或路徑如何。
本發(fā)明的另一個(gè)目的，是提供一種如上限定的設(shè)備和方法，該設(shè)備和方法能夠方便地得到實(shí)施，以補(bǔ)償開放根部焊接中的不同的情況和不同的間隙，以及在第一根部通過之后的一定的焊接通過。
本發(fā)明的又一個(gè)目的，是提供一種如上限定的設(shè)備和方法，該設(shè)備和方法可具體地應(yīng)用于一種高頻開關(guān)電源，且特別是帶有STT焊接機(jī)的脈沖波形的一種電源。
本發(fā)明的進(jìn)一步的一個(gè)目的，是提供一種如上限定的設(shè)備和方法，其中短路電弧焊接機(jī)能夠通過只改變焊絲伸出而改變?nèi)鄢販囟取?br> 本發(fā)明的再一個(gè)目的，是提供一種如上限定的設(shè)備和方法，該設(shè)備和方法被用于如在Stava的美國(guó)專利第5,001,326號(hào)中公布的短路焊接過程。


從以下結(jié)合附圖進(jìn)行的描述，這些和其他的目的和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。
圖1是用于實(shí)施本發(fā)明的電源的電路圖，它與Stava的美國(guó)專利第5,001,326號(hào)中公布的電源類似；圖1A是本發(fā)明的最佳實(shí)施例的框圖，其中高頻開關(guān)電源是一個(gè)逆變器，如在Blankenship的美國(guó)專利第5,351,175號(hào)中公布的。
圖1B是可用于本發(fā)明的最佳實(shí)施例中的管狀電極的示意圖；圖2是用于產(chǎn)生在焊絲伸出隨著啟動(dòng)調(diào)節(jié)而改變時(shí)用來調(diào)節(jié)熔池的熱量的信號(hào)的軟件程序或電路的電路圖；圖3是在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中用于產(chǎn)生表示實(shí)際電極延伸或焊絲伸出的電壓信號(hào)的電路或軟件程序的電路圖；圖4是用于把圖3的信號(hào)轉(zhuǎn)換成表示伸出電阻的電壓信號(hào)的電路或軟件程序的電路圖；圖4A是圖4所示的圖的修正的電路圖；圖5是一系列曲線圖，顯示圖3和4所示的電路或程序的操作；圖6是當(dāng)采用STT電弧焊接機(jī)的短路過程時(shí)圖1和1A所示的直流電源的單個(gè)周期的電壓和電流曲線的曲線圖；圖7是圖表，顯示了圖3中的電路為不同的焊絲伸出長(zhǎng)度而產(chǎn)生的電壓信號(hào)的不同；
圖8是框圖，顯示了在實(shí)施本發(fā)明的最佳實(shí)施例的一個(gè)微處理器中采用的軟件程序；圖9是顯示本發(fā)明的最佳實(shí)施例的一個(gè)修正中采用的軟件程序的框圖；圖10是顯示本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的修正的框圖；圖11是顯示采用圖4中的用于控制焊接機(jī)的電路產(chǎn)生的信號(hào)的電路和軟件程序的框圖；圖12是框圖，顯示了圖11所示的利用圖4的電路和/或程序所產(chǎn)生的信號(hào)之外的參數(shù)的控制電路和軟件程序；圖13A和13B示意顯示了利用本發(fā)明的焊接操作，其中接合部中的間隙比較窄；圖14A和14B示意顯示了利用本發(fā)明的焊接操作，其中接合部中的間隙比較寬；圖15是示意圖，顯示了本發(fā)明的最佳實(shí)施例的第二個(gè)方面，其中圖3所示的電路或程序產(chǎn)生的信號(hào)或來自圖4所示的電路或程序的信號(hào)被用于控制當(dāng)在圖13和14中顯示的接合部中設(shè)置隨后的道時(shí)焊頭的橫向運(yùn)動(dòng)；圖16是結(jié)合的電路圖和框圖，顯示了用于實(shí)施如圖15所示的本發(fā)明的方面的電路和/或軟件程序；圖17是將要借助現(xiàn)有技術(shù)的焊頭控制機(jī)制進(jìn)行焊接的開放根部接合部的剖視圖；圖18是一系列如圖17所示的視圖，顯示了現(xiàn)有技術(shù)中的問題；圖19是具有曲線路徑P的開放根部接合部的部分頂視圖；圖20是具有圖示插入部分的曲線圖，顯示了在伸出改變時(shí)由圖3所示的電路或程序產(chǎn)生的信號(hào)的改變；圖21是具有圖示插入的曲線圖，顯示了當(dāng)采用圖15所示的概念時(shí)在圖16所示的電路圖的頂部中的本發(fā)明的操作；圖22是與利用了圖16中顯示的電路圖的完全的實(shí)施的圖21的曲線圖類似的曲線圖；
圖23是一個(gè)電路的電路圖，該電路用于處理利用不同于圖3所示的方案表示伸出的信號(hào)的電路。
具體實(shí)施例方式參見附圖，其中的顯示只是為了說明本發(fā)明的最佳實(shí)施例，而不是為了限定本發(fā)明。圖1顯示了高頻直流開關(guān)電源PS，它用于把焊接電流經(jīng)焊絲10送到工件12，而該焊絲受到一個(gè)電連接器或保持件14的支撐。一個(gè)適當(dāng)?shù)暮附z送進(jìn)器16以通過由操作者或編程者調(diào)節(jié)的電源設(shè)定所確定的速率，從一個(gè)供應(yīng)筒18拉出焊絲。保持件14連接到直流電源PS的終端22，以接收終止20與相對(duì)極性的終端22之間接收直流脈沖。該直流電流脈沖的形狀由具有帶有用于調(diào)節(jié)焊接周期的電流的輸出端32d的電流控制器32的適當(dāng)?shù)牟ㄐ坞娐?0來確定。這種電流調(diào)節(jié)能夠涉及最大電流、峰值電流、背景電流等的改變。波形電路30在高頻開關(guān)電源的控制中是眾所周知的。在線路34上的一個(gè)輸出電壓信號(hào)在焊接周期中變化，以控制電極或焊絲10與工件12之間的電流的形狀。本發(fā)明被用于兩個(gè)板之間的接合部中，因此，工件12是兩個(gè)相距的板之間的熔化金屬熔池。在實(shí)際中，這些板是具有開放根部接合部的管道段，因而熔池或道限定了工件12的上限。保持件14與熔池或工件12之間的距離，是焊接過程的焊絲伸出。這種伸出或電極延伸，當(dāng)采用諸如在該最佳實(shí)施例中采用的短路焊接過程時(shí)，可借助在Stava的美國(guó)專利第5,001,326號(hào)中公布的測(cè)量電路來測(cè)量。其他已知的電路能夠測(cè)量焊絲伸出或電極延伸，特別是當(dāng)其他類型的焊接周期得到采用時(shí)。伸出測(cè)量機(jī)制在圖2、5、6和7中得到顯示。當(dāng)然，即使對(duì)STT焊接機(jī)，也可采用其他的測(cè)量技術(shù)，諸如圖23中顯示的短路頻率測(cè)量裝置。由于Stava的美國(guó)專利第5,001,326號(hào)集中于下斬波器高頻電源，這種電源在圖1中得到顯示，以說明本發(fā)明。其他的高頻開關(guān)電源被用于產(chǎn)生焊絲10和兩個(gè)板之間的接合部中的熔化金屬熔池之間的焊接電流。電源PS是以高于約18kHz且較好地是20-40kHz的頻率循環(huán)的開關(guān)裝置。脈寬調(diào)制器40標(biāo)準(zhǔn)的，用于產(chǎn)生諸如下斬波器和逆變器的轉(zhuǎn)換器中的可變寬度電流脈沖?？刂凭€路42用具有由驅(qū)動(dòng)振蕩器44控制的速率的短路電流脈沖，來形成輸出電流脈沖的形狀。因此，線路42上的電壓表示了被允許以諸如高于18kHz的高速率通過開關(guān)50的快速電流脈沖的寬度。以此方式，通過焊絲10的焊接電流受到輸出線34上的來自波形電路30的電壓的控制，該電路在Stava的美國(guó)專利第5,001,326號(hào)中得到顯示并在此被作為參考。線路42上的脈寬控制電壓是在受到電阻62的適當(dāng)偏置的誤差放大器60的輸出端處的直流電壓電平。一個(gè)超越或并行電路70用于借助線路42上的電壓把線路34保持在零電壓。誤差放大器60的輸入是電路30的輸出端處的電壓，它受到在STT焊接機(jī)中使用的并在Stava的美國(guó)專利第5,001,326號(hào)中大體顯示的多個(gè)開關(guān)的控制。波形的控制不構(gòu)成本發(fā)明的一部分。來自誤差放大器60的電流控制了線路42加到脈寬調(diào)制器40上的電壓，以控制振蕩器44產(chǎn)生的電流脈沖的幅度。脈寬調(diào)制器打開和關(guān)閉設(shè)定的FET開關(guān)50，以產(chǎn)生如圖6的上曲線所示的電流波形?？v向的線表示了構(gòu)成STT波形的快速電流脈沖。STT焊接機(jī)利用了響應(yīng)于線路72上的一個(gè)信號(hào)的即將來到的熔合而操作的濺射控制電路70。這種熔合信號(hào)是由一個(gè)dv/dt預(yù)告電路73產(chǎn)生的，因而在輸出線路76上的邏輯將在短路或給定焊接周期的夾斷脈沖期間剛好產(chǎn)生熔合之前，使電源開關(guān)80不導(dǎo)通。開關(guān)80的操作，使通過小電感82的焊接電流從通過開關(guān)80的較高的電流，改變到通過一個(gè)緩沖器電路84的較低的電流。當(dāng)一個(gè)焊接周期的短路狀態(tài)正在持續(xù)時(shí)，測(cè)量到的dv/dt超過了一個(gè)設(shè)定值，表明一種即將到來的熔合。線路72上的邏輯立即移動(dòng)。因此，來自開關(guān)80的焊接電流移向一個(gè)低電平，以減小熔合爆炸所釋放的能量。這種概念不構(gòu)成本發(fā)明的改進(jìn)的一部分，但是本發(fā)明的最佳實(shí)施例中采用的STT焊接機(jī)的一部分。
本發(fā)明檢測(cè)伸出的長(zhǎng)度或電極延伸并控制電流電路32要么(a)控制一個(gè)根道期間焊接過程產(chǎn)生的熱量，要么(b)檢測(cè)焊絲10在填充板之間的接合部期間在并置的板的相距的壁之間橫向移動(dòng)時(shí)焊絲10的位置。本發(fā)明的第一個(gè)方面主要應(yīng)用于設(shè)置管道焊接中的根道。本發(fā)明的第二個(gè)方面主要應(yīng)用在隨后填充接合部的通過，其中焊絲以蛇行的方式運(yùn)動(dòng)。該STT原來是為了采用如圖1所示的下斬波電源而設(shè)計(jì)的；然而，現(xiàn)在該STT采用了在高18kHz工作的、如圖1A所示的逆變器100。在Blankenship的美國(guó)專利第5,351,175號(hào)中公布了用于電弧焊接的一種代表性的逆變器結(jié)構(gòu)。這兩種電源都采用了一種波形控制器30，并包括了用于調(diào)節(jié)各種電流電平的設(shè)置，如電流控制器32所表示的，以提供圖6所示的波形。逆變器100具有適當(dāng)?shù)妮斎腚娫矗梢允邱R達(dá)發(fā)生器，但被顯示為一種三相線路電壓102。這種線路電壓首先被整流成逆變器100以高速進(jìn)行開關(guān)的直流聯(lián)結(jié)，以產(chǎn)生一種電流波形，它在最佳實(shí)施例中是如圖6中所示的STT短路波。作為本發(fā)明的一種附加，焊絲10是一種管狀電極B，如圖1B所示意顯示的。這種電極具有外包層110和空心的芯112—其中填充有釬劑系統(tǒng)和/或分配顆粒的配料。通過把管狀電極用于遙遠(yuǎn)地區(qū)的管道焊接，消除了對(duì)屏蔽氣體的需要。這在世界的某些遙遠(yuǎn)地區(qū)是有利的。
本發(fā)明涉及以下概念(a)測(cè)量伸出或電極延伸a，以及(b)利用這種測(cè)量來控制管道焊接操作的根通過中的熱量。這種根是在板的邊緣之間的。如后面所要描述的，伸出a的測(cè)量也可應(yīng)用于當(dāng)用熔化金屬填充側(cè)壁之間的空間時(shí)在接合部的發(fā)散的側(cè)壁之間前后移動(dòng)焊頭。圖2顯示了與Stava的美國(guó)專利第5,001,326號(hào)的圖2中類似的電路，它是軟件程序或硬件電路，用于測(cè)量伸出和用于使焊接機(jī)能夠根據(jù)操作者在一個(gè)5.0秒啟動(dòng)中進(jìn)行的伸出讀出來調(diào)節(jié)或校準(zhǔn)自身。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，伸出測(cè)量電路120被用來產(chǎn)生線路122中的一個(gè)電壓，該電壓表示了直流焊接周期期間的的伸出a。最佳實(shí)施例中采用的指針是圖6中的電壓和電流曲線所示的STT周期。這些曲線是由一個(gè)STT焊接機(jī)利用圖1A中顯示的逆變器產(chǎn)生的。弧電壓Va在輸入端124得到監(jiān)測(cè)，并被用于通過軟件開關(guān)128在時(shí)刻T22的擊穿點(diǎn)電流剛好之后的短時(shí)間中的操作，經(jīng)電阻126對(duì)電容器130進(jìn)行充電，如圖5和6所示。實(shí)際中，擊穿點(diǎn)之后的延遲約100微秒。開關(guān)128在焊接周期的短路狀態(tài)期間在時(shí)刻T3和T44之間關(guān)閉。開關(guān)128關(guān)閉少于500微秒的時(shí)間并較好地大約300微秒。在關(guān)閉該開關(guān)時(shí)，電容器130被充電，以在線122上產(chǎn)生一個(gè)電壓。該電壓代表了短路電壓尖峰或限幅的運(yùn)行平均。這些電壓尖峰在焊絲10與熔化金屬熔池12發(fā)生短路時(shí)出現(xiàn)。因此，電容器130上的電壓與伸出成比例，因?yàn)樵撾妷菏窃陔娏骶哂邢嗤闹芷?周期幅度時(shí)被測(cè)量的。因此，電壓VSO代表了伸出a。當(dāng)然，如果采用了其他的焊接周期，伸出電壓可由具體用于具體類型的焊接操作的各種電路來測(cè)量。圖1中的電流控制電路32可直接響應(yīng)于線122上的電壓；然而，在該線上的電壓不僅受到伸出長(zhǎng)度的控制，而且還受到其他參數(shù)的控制，諸如焊絲的直徑、焊絲的組份、焊絲的電阻和屏蔽氣體等等。因此，本申請(qǐng)中的伸出是一個(gè)長(zhǎng)度。然而，被監(jiān)測(cè)和用在本發(fā)明中的“伸出”可以是其他控制參數(shù)。對(duì)于使用一定的焊絲的焊接機(jī)，線122上的電壓，可以具有與伸出長(zhǎng)度相同但在另一焊接操作中的電壓不同的值。伸出對(duì)多種變量是敏感的，并在此描述中被用作測(cè)量表示代表性的伸出的電壓和在具體的焊接操作期間的長(zhǎng)度組分的變量的一般概念?？紤]到這些必要的變量，有時(shí)采用如圖2所示的電路。這種電路不僅讀取線122上的電壓—它一般地是長(zhǎng)度敏感的，而且還讀出線132上等離子體助力期間的電流Iaa的實(shí)際的弧。因此，這些變量被表示成控制信號(hào)。線122和132上的這些電壓被引到乘法電路134的輸入端，在實(shí)際中該電路134是一個(gè)軟件乘法器，它具有一個(gè)輸出136，該輸出是平均的伸出電壓與在焊接周期中的選定時(shí)刻測(cè)量到的弧電流的結(jié)合。因此，線136上的電壓是延伸瓦數(shù)并考慮了焊接過程的變量。圖2所示的電路被用于控制電力升高脈沖期間的峰電流IMM。為了告訴控制器32在指定的焊接過程期間使用的所希望的焊接電流，采用了一種啟動(dòng)電路140，其中軟件開關(guān)142在焊接周期開始時(shí)的預(yù)定時(shí)間中被關(guān)閉，通常是諸如5.0秒的時(shí)間。線136上的延伸瓦數(shù)電壓在焊接周期的初始啟動(dòng)期間通過電阻144對(duì)電容器150進(jìn)行充電，以告訴電流控制器32整個(gè)過程中的所希望的伸出。電路140還包括軟件開關(guān)146，該開關(guān)在等離子體升高脈沖T6-T7期間關(guān)閉。通過使用電路140，電容器150被充電至表示在焊接過程的開始時(shí)受到調(diào)節(jié)的伸出的等離子體升高瓦數(shù)。取樣和保持電路142保持引向誤差放大器160的輸入端的輸出線154上的電容器150上的電壓。誤差放大器160產(chǎn)生線160a上的與線154上的基準(zhǔn)瓦數(shù)和線136上的實(shí)際瓦數(shù)成比例的誤差信號(hào)。借助開關(guān)162，這種誤差信號(hào)只在等離子體升高脈沖期間被用于控制峰電流IM。在啟動(dòng)期間，開關(guān)162被打開。隨后，當(dāng)開關(guān)162在等離子體升高脈沖期間被閉合時(shí)，線160a上的信號(hào)是控制器32的輸入32a。線1 62上的信號(hào)被引向輸入端32a，從而使線136上的電壓的變化將調(diào)節(jié)電路32中的電流，從而在時(shí)間T6-T7期間改變焊絲10和熔池12之間的電流。在其他時(shí)刻，控制器32跟隨圖6的STT曲線的設(shè)定。通過采用電路140，控制器32在焊接操作的開始時(shí)得到調(diào)節(jié)，以得到較好的伸出。隨后，伸出得到監(jiān)測(cè)，以調(diào)節(jié)焊接電流，或是總積分電流，或是最大電流、或是峰電流，或是背景電流，具體按照需要。
根據(jù)本發(fā)明，線122上的電壓表示了給定的焊接過程中的伸出a。這種電壓在本發(fā)明中被用于根據(jù)伸出電壓VSO的幅度來把焊接電流移到所希望的電平。表示這種概念的基本電路被顯示在圖3中，它是圖2的輸入部分，它產(chǎn)生線122上的電壓，用于輸入到圖1所示的線32a上的控制電路32。測(cè)量到的伸出被用于控制焊接電流，或至少焊接電流的部分，以在開放根部焊接過程的根通過期間調(diào)節(jié)焊接熔池中的熱量。如上所述，線122上的電壓不構(gòu)成所實(shí)施的具體焊接過程中的變量。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，線122上的電壓與弧電流相結(jié)合。這在圖2中得到顯示。實(shí)際中，用于結(jié)合這些值的電路在圖4中得到顯示。分壓電路180是一個(gè)軟件電路，但可以是硬件電路。這種電路借助弧電流分壓伸出電壓。如圖5所示，這種弧電流是當(dāng)電壓被測(cè)量時(shí)出現(xiàn)的即時(shí)弧電流。因此，線182上的電壓表示了被STT波的時(shí)刻T3和T4之間的短路電流所分壓的伸出電壓。線182上的電壓是伸出電阻，該參數(shù)對(duì)于焊接過程控制來說更為準(zhǔn)確。伸出電阻RSO以與伸出電壓VSO相同的方式被控制電路32所使用。在兩種情況下，線122上的信號(hào)或線182上的信號(hào)都表示了伸出a。在整個(gè)本描述中，伸出的意思是伸出電壓或伸出電阻。這些術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明的實(shí)施被可互換地使用?？刂齐娐?2具有用于伸出電壓的一個(gè)第一輸入端32a和用于伸出電阻的第二輸入端32b。為了保證線32b(RSO)上的電壓使用與測(cè)量伸出電壓所使用的電流相同的電流，開關(guān)128被用于對(duì)電容器184進(jìn)行充電，如圖4所示。引入電路180的電壓和電流是直接在短路狀態(tài)下的擊穿點(diǎn)之后的小于500微秒和較好地是約300微秒的相同的短時(shí)間中測(cè)量到的電壓和電流。圖4A中顯示了圖4所示的電路的一種修正，其中在時(shí)刻T11-T8期間的燃弧狀態(tài)下，分壓級(jí)180a借助弧電流Ia對(duì)弧電壓Va進(jìn)行分壓并被讀出。這給出了伸出電阻，如在線182a上的電容器184a上的電壓一樣。
伸出電壓的測(cè)量取決于所進(jìn)行的焊接過程和用于獲得代表伸出的信號(hào)的可用參數(shù)，不論是電壓VSO還是電阻RSO。由于本發(fā)明的最佳實(shí)施例采用電流STT弧焊接機(jī)，在最佳實(shí)施例中采用了Stava的美國(guó)專利第5,001,326號(hào)的伸出測(cè)量電路。該電路是已知的并在圖5-7中得到顯示。用于該STT焊接機(jī)的電流和電壓在圖6中得到顯示，其中一個(gè)焊接周期在時(shí)刻T0和T9之間延伸。在時(shí)刻T9，焊接周期得到重復(fù)。在時(shí)刻T0，電壓Va移到一個(gè)低值，表明行進(jìn)的焊絲的端部上的熔化金屬球與已經(jīng)淀積在焊接接合部上的熔化金屬熔池12之間的一種短路。直到時(shí)刻T1，該電流都被保持在低。隨后，該電流如夾斷脈沖200所示地得到控制，產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖202。在時(shí)刻T2出現(xiàn)的擊穿點(diǎn)204，該電流在該夾斷脈沖的其余部分移向一個(gè)較低的受控斜率。在擊穿點(diǎn)204的電流是一個(gè)固定值。開關(guān)128在時(shí)刻T3與T4之間閉合。時(shí)刻T3從時(shí)刻T2延遲了約100微秒。這提供了一個(gè)比較窄并在擊穿點(diǎn)204附近產(chǎn)生的電壓脈沖210。因此，焊接電流當(dāng)電壓脈沖210被產(chǎn)生時(shí)總是處于相同的電平。當(dāng)預(yù)監(jiān)測(cè)電路74表示了即將出現(xiàn)熔合時(shí)，夾斷脈沖200在時(shí)刻T5移向背景電流電平。在圖1所示的波形電路30產(chǎn)生等離子體升高脈沖212時(shí)，該電流電平被保持到時(shí)刻T6。這種脈沖具有一個(gè)最大電流和在部分214的末尾電流?？v向的線代表了來自開關(guān)50的高速脈沖。等離子體升高脈沖212的該末尾在時(shí)刻T88終止。隨后，背景電流得到保持，以保持液化的球上的熔化金屬，直到在時(shí)刻T9發(fā)生短路。這與開始在時(shí)刻T0處的周期的短路狀態(tài)相同。下一個(gè)焊接周期因而在時(shí)刻T9開始。該焊接操作中產(chǎn)生的熱量通過積分時(shí)刻T6與T9之間的電流曲線而確定。該熱量可通過改變升高脈沖212的峰或最大電流或時(shí)刻T8和T9之間的背景電流電平而得到控制。通過調(diào)節(jié)最大電流IM或背景電流IBB，熔池12中的熱量得到改變，以調(diào)節(jié)熔化金屬的粘性。夾斷脈沖200和202以及電壓尖峰或切片210在圖5中得到示意顯示。通過累積這些尖峰，伸出電壓VSO得到產(chǎn)生，以用于本發(fā)明。如上所述，伸出電壓VSO被弧電流Ia所分壓，以產(chǎn)生伸出電阻RSO。該伸出電阻在圖5的底部的曲線圖中被顯示為脈沖220。脈沖220得到累積，以給出用于本發(fā)明的伸出電阻。伸出電壓和伸出電阻都表示了焊接過程期間的伸出長(zhǎng)度。它們?cè)诒景l(fā)明中被用于控制熔池中的熱量，特別是在焊接過程的根通過期間。這些相同的值被用于在填充兩個(gè)相鄰板之間的接合部期間控制焊頭的振蕩。假定電流在時(shí)刻T3與T4之間的恒定的—這通常是實(shí)際的情況，在圖7的例子I、II和III中，電壓尖峰210a、210b和210c表示了可變的伸出長(zhǎng)度m、n和O。圖7的圖表中顯示的相應(yīng)的電壓尖峰被用作伸出參數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明，線122上的伸出電壓VSO被引向電流控制電路32的輸入端32a。這種電路在圖8中得到示意顯示。線32a上的伸出電壓被引向一個(gè)查詢表、ROM、PROM或其他存儲(chǔ)器件250的輸入端，該器件輸出與輸入的伸出電壓相關(guān)的一個(gè)所希望的電流252。輸出254是表示基于測(cè)量的伸出電壓VSO的所希望的電流的一個(gè)電壓。在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，線132上的弧電流被引向線32c上的電路32。在電路32，該弧電流被一個(gè)積分器260在時(shí)刻T0和T9之間進(jìn)行積分。這給出了焊接機(jī)在一個(gè)焊接周期中的實(shí)際電流。因此，線264上的電壓代表了作為誤差放大器270的一個(gè)輸入的實(shí)際電流。另一輸入是線254上的所希望的電流。放大器270的輸出272是電路32的輸出32d。線32d上的電壓控制著隨后的焊接周期期間的實(shí)際電流。因此，當(dāng)伸出增大時(shí)，熔池12中的熱量減小。這種反向的關(guān)系被編程到查詢表250中。波形電路30利用所希望的電流電平形成了如圖6所示的電流波形，以使實(shí)際的積分電流移向所希望的值。電流調(diào)節(jié)電路或級(jí)272根據(jù)編程到級(jí)272中的所希望的系統(tǒng)，改變最大電流IM、背景電流IB或兩個(gè)電流。在最佳實(shí)施例中，背景電流IB得到調(diào)節(jié)以保持熔池12中的所希望的熱量。
圖9-12是本發(fā)明的最佳實(shí)施例的修正，用于通過由伸出電壓VSO或伸出電阻RSO表示的伸出長(zhǎng)度來控制電弧焊接機(jī)。這些軟件圖是示意顯示，并可用各種軟件技術(shù)實(shí)施。圖9顯示了電流控制電路30’，其中一種函數(shù)發(fā)生器280得到采用，而不是編程的查詢表250。這種函數(shù)發(fā)生器可以是模擬的或數(shù)字的器件，且其輸入可以是伸出電壓VSO或伸出電阻RSO。該函數(shù)發(fā)生器的輸出是級(jí)282的所希望的電流。該級(jí)的電平控制了如具有輸出286的塊或級(jí)284表示的焊接電流。該輸出值被引向弧焊接機(jī)的控制器，諸如圖1的焊接機(jī)的波形電路30。以類似的方式，圖10顯示了采用一個(gè)編程的查詢表290的控制電路30”，用于產(chǎn)生控制電流調(diào)節(jié)級(jí)294的級(jí)292的所希望的電流。在輸出線296上的信號(hào)被引向焊接機(jī)的控制器。圖9和10都表明伸出電壓或電阻可被用作焊接機(jī)的直接控制。沒有使用實(shí)際電流反饋。本發(fā)明的這些實(shí)施例是開環(huán)控制，其中電流是由函數(shù)發(fā)生器280或查詢表290的輸出確定的絕對(duì)值。在實(shí)際上，采用了圖8所示的閉環(huán)系統(tǒng)。圖8-10所示的系統(tǒng)是在微處理器中用軟件實(shí)施的；然而，它們也可用模擬電路實(shí)施。
伸出電阻包含更多的信息，并且是表示伸出的更為精確的參數(shù)。因此，圖11和12所示的焊接機(jī)控制系統(tǒng)采用了伸出電阻RSO作為伸出的量度。在圖11中，電路300具有一個(gè)查詢表302，其輸入182是實(shí)時(shí)可變伸出電阻。該表被各種參數(shù)所修正，諸如電極組份和尺寸、屏蔽氣體和其他變量。這些變量使查詢表302變化以調(diào)節(jié)附加的參數(shù)。來自編程查詢表的所有這些參數(shù)的輸出在級(jí)304是伸出。根據(jù)本發(fā)明，來自級(jí)304的伸出信號(hào)較好地是數(shù)字的，并被引向焊接機(jī)W的控制器306。因此，用于該控制器的變量是根據(jù)本發(fā)明測(cè)量的伸出電阻。圖12中的電路310被線182上的伸出電阻值所跟隨。該值被引向一個(gè)編程查詢表，該表用圖11所示的參數(shù)作索引，以產(chǎn)生在級(jí)314的一個(gè)伸出信號(hào)。該信號(hào)的幅度被引到焊接機(jī)W的控制器316。處理控制器316還包括諸如電流、電壓、時(shí)間、電極、屏蔽氣體和焊絲送進(jìn)速度的輸入。所有這些參數(shù)都被用于控制由焊接機(jī)W進(jìn)行的焊接過程。如圖11中所示，電路310借助表示焊絲伸出的一個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)電弧焊接機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)控制器316。在這兩個(gè)例子中，該參數(shù)是伸出電阻RSO。當(dāng)然，該參數(shù)可以是伸出電壓VSO。
本發(fā)明利用伸出長(zhǎng)度—要么是伸出電壓VSO要么是伸出電阻RSO—來控制焊接電流以調(diào)節(jié)諸如用在管道焊接中的開放根部焊接過程的熔池中的熱量。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在圖13A、13B、14A和14B中得到顯示，它顯示了相距的板P1和P2之間的焊接接合部J。在實(shí)際中，管道段的相鄰端部形成接合部J。接合部J包括發(fā)散的壁320、322—它們?cè)诖篌w縱向的壁330、332處終止而限定了一個(gè)間隙g，該間隙是接合部的開放根部。當(dāng)該接合部被焊接且第一次通過在根部時(shí)，間隙g的幅度的改變嚴(yán)重地影響了自動(dòng)焊接機(jī)對(duì)根道的設(shè)置。本發(fā)明根據(jù)間隙g的尺寸控制熔化熔池或道340中的熱量。在圖13A和13B中，間隙g是比較窄的。因此，熔池340不穿入間隙。該問題在圖13A中得到顯示。因此，該熔池在間隙之上累積以增大高度。這種作用減小了保持件14的端部與熔池340的頂部之間的伸出SO。因此，壁320、322之間的接合是不夠的。根據(jù)本發(fā)明，伸出SO以伸出電壓或伸出電阻的形式得到量度，且查詢表、ROM或其他函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生了與一種反向關(guān)系相應(yīng)的信號(hào)。測(cè)量到的伸出越小，焊接電流越大，反之亦然。通過增大焊接電流，熔池340穿入間隙g并接合壁330、332之間的板P1和P2，如圖13B所示。因此，當(dāng)間隙小時(shí)，熔池的熱量增大以減小金屬的粘性，并能夠在根通過期間進(jìn)行較好的穿入。類似地，如果壁330、332太寬而表示較大的間隙g，如圖14A所示，熔化金屬熔池340下落通過間隙而進(jìn)入管道的內(nèi)部。當(dāng)間隙增大時(shí)，伸出增大。根據(jù)本發(fā)明，伸出與熔池中焊接電流產(chǎn)生的熱量之間有反向關(guān)系；因此，焊接電流減小，而產(chǎn)生如圖14B所示的焊接熔池形狀。如圖13和14所示，本發(fā)明保持了所希望的焊接電流，以在熔池12中產(chǎn)生處適當(dāng)?shù)臒崃?，以補(bǔ)償正在焊接的板之間的間隔的改變。這對(duì)于開放根部接合部中的根道是特別有利的焊接過程。本發(fā)明因而補(bǔ)償了在管道焊接環(huán)境下在初始根道設(shè)置時(shí)的間隙不同，特別是在采用STT電弧焊接機(jī)的情況下獲得的采用短路焊接過程時(shí)。當(dāng)然，本發(fā)明可被用于其他的電弧焊接機(jī)，因而伸出得到測(cè)量且電流根據(jù)測(cè)量的伸出而得到反向控制。
雖然本發(fā)明特別適用于在接合部J中設(shè)置根道，它也可被用于隨后的通過—其中焊接操作填充原來的根通過之上的接合部J。在根通過期間，焊頭裝置被保持在間隙g的上方的一個(gè)單一位置。在隨后的通過中，焊頭在焊頭繞板或段P1、P2之間的管道段的接合部J運(yùn)動(dòng)時(shí)，使保持件14以蛇行方式作橫向的前后移動(dòng)。這種橫向作用在圖15中得到示意顯示，其中焊接道400表示一個(gè)上熔化金屬熔池402。該焊頭如箭頭410所示地作前后運(yùn)動(dòng)，以把金屬置于接合部J，從而接合板P1和P2，如圖15所示。當(dāng)保持件14前后移動(dòng)時(shí)，伸出SO在壁320、322的外邊緣變小，且向著中心增大。因此，伸出隨著焊接道通過接合部J的運(yùn)動(dòng)從低值向高值變化，并變回到低值。由于本發(fā)明允許通過測(cè)量伸出來控制焊接機(jī)，本發(fā)明還被用作在接合部J焊接期間前后移動(dòng)焊頭的裝置的一種改進(jìn)。
在圖17中，顯示了現(xiàn)有技術(shù)的焊接過程。板P1和P2被假定具有接合部J，它被精確地定位在一個(gè)固定焊接路徑中并具有固定的根間隙。頭在點(diǎn)A和B之間前后振蕩，如箭頭420所示。假定接合部J保持與適當(dāng)?shù)穆窂綄?duì)準(zhǔn)，且間隙保持相同的寬度，則在不用手動(dòng)干涉的情況下可實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)暮附?。這種現(xiàn)有技術(shù)概念在圖18中也得到顯示。頂部的圖描述了一種適當(dāng)對(duì)準(zhǔn)的接合部，以產(chǎn)生良好的結(jié)果。當(dāng)間隙增大時(shí)，或者接合部向著所希望的路徑的旁邊偏離時(shí)，焊頭在點(diǎn)A和B之間的運(yùn)動(dòng)將不產(chǎn)生良好的焊接。需要通過手動(dòng)干涉來跟蹤接合部J以實(shí)現(xiàn)所希望的焊接接合。這種問題在間隙太寬或顯著偏離時(shí)是嚴(yán)重的，如圖18的下面的兩個(gè)圖所示的。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)焊頭以圖15所示的方式前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，伸出或電極延伸得到測(cè)量，且焊頭驅(qū)動(dòng)器的操作得到修正，如圖16所示。被顯示為保持件14的焊頭借助馬達(dá)M而前后運(yùn)動(dòng)。電路440在伸出達(dá)到了一個(gè)預(yù)定的、被表示為長(zhǎng)度X的幅度時(shí)，使馬達(dá)M的橫向方向反向。開關(guān)442把表示伸出的電壓電平引向比較器450的一個(gè)輸入端。另一輸入端被調(diào)節(jié)到代表所希望的伸出長(zhǎng)度X的電壓。輸出452在伸出達(dá)到長(zhǎng)度X時(shí)改變邏輯。該邏輯信號(hào)改變激活了反向開關(guān)454以在線456上給出一個(gè)方向反向信號(hào)。馬達(dá)M的方向被反向，以沿著相反的橫向方向移動(dòng)焊頭。該頭沿著接合部J移動(dòng)，以產(chǎn)生一種蛇行方式的運(yùn)動(dòng)。因此，當(dāng)焊頭的方向反向時(shí)，電路462復(fù)置反向開關(guān)454，等候伸出長(zhǎng)度等于X的新的檢測(cè)。通過閉合開關(guān)442，焊頭在焊接過程沿著接合部J進(jìn)行的同時(shí)通過接合部J作前后運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，X能夠在焊接道400通過相繼的焊接通過而生長(zhǎng)時(shí)改變，從而在反向點(diǎn)之間產(chǎn)生較大的距離。在焊頭的前后運(yùn)動(dòng)期間，可能希望增大或減小焊頭的不同橫向位置處的熱量。在接合部J的外邊緣處的較大熱量是有幫助的，且在接合部的中心需要較小的熱量。為了實(shí)現(xiàn)這種目的，圖16中顯示的電路包括了兩個(gè)額外的控制分支。在分支460，開關(guān)462借助一個(gè)比較器470把伸出信號(hào)與在線464上的一個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較。當(dāng)該伸出電壓大于表示為Y的一個(gè)電平時(shí)，在比較器470的一個(gè)輸出端472上出現(xiàn)一個(gè)信號(hào)。這開始了通過逐漸減小通過增量電流控制器474的電流以給出一個(gè)用于調(diào)節(jié)焊接過程的電流的信號(hào)476而使輸入熱量遞減的過程。類似地，分支480通過閉合開關(guān)482而被激活，該開關(guān)結(jié)合線484上的值以控制比較器490，從而當(dāng)伸出小于Z時(shí)在線492上產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)。因此，當(dāng)焊頭向邊緣移動(dòng)時(shí)，熱量通過增量電流控制電路492以增大線496中的電流信號(hào)而得到增大。通過采用分支460、480，在根通過借助伸出而得到控制之后，在通過中產(chǎn)生熱量。該伸出在焊頭移近邊緣時(shí)減小。因此，熱量增大。當(dāng)焊頭移向接合部的中心時(shí)，熱量減小。本發(fā)明的該方面控制了熱量，但不被用于控制開放根部焊接操作中的根通過，如圖1-14中所描述的。通過采用方向反向電路440，焊頭即使當(dāng)路徑如圖19所示地彎曲時(shí)也將跟蹤路徑P。當(dāng)焊頭沿著路徑P移動(dòng)時(shí)，它在達(dá)到接合部J中的具體板外位置時(shí)反向。這種反向不是在如圖17和18所示的固定點(diǎn)。因此，本發(fā)明即使當(dāng)沒有開放根部時(shí)也可被用于接縫跟蹤。板P1、P2之間的發(fā)散側(cè)被用于限定反向點(diǎn)。
圖20顯示了本發(fā)明的操作特性。曲線500具有一個(gè)直到部分502都約2.0伏特第一伸出電壓。該伸出電壓隨后移向大約.75伏特。這種曲線表示了本發(fā)明的操作。焊頭沿著具有第一高度的焊接熔池500a運(yùn)動(dòng)并隨后達(dá)到一個(gè)區(qū)502a—在那里熔池504a具有第二高度，該第二高度比熔池500a高1/4英寸。當(dāng)發(fā)生了這種熔池高度改變時(shí)，伸出顯著減小且伸出電壓相應(yīng)地減小。這種減小的電壓被用在一個(gè)根通過通過以在電壓減小時(shí)增大電流。這種反向關(guān)系較好地是一條直線；然而，它可以是曲線，以獲得任何所希望的效果。在圖21中顯示了另一個(gè)曲線圖。曲線510顯示了在焊頭在接合部J的壁320、322之間前后運(yùn)動(dòng)時(shí)的伸出電壓。當(dāng)伸出減小時(shí)，它最終到達(dá)值X表示的低伸出。這造成了點(diǎn)512處的反向，直到焊頭達(dá)到相對(duì)的發(fā)散壁。在其間，伸出達(dá)到了表示接合部J的中心的一個(gè)高電平514，假定該接合部未基本上被熔化金屬所充滿。曲線510代表了本發(fā)明的實(shí)施例，其中伸出被用于在焊頭沿著接合部J的路徑P行進(jìn)時(shí)使其方向反向。本發(fā)明被用于在管道焊接過程中在隨后的通過中跟蹤和填充接合部J。在圖22中顯示了一個(gè)第三曲線。曲線520在圖16的開關(guān)442、462和482被閉合時(shí)得到跟隨。當(dāng)焊頭通過接合部J而前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，伸出電壓減小，直到方向反向點(diǎn)X。在這些反向點(diǎn)之間，伸出電壓逐漸增大和減小，如圖21所示。當(dāng)伸出電壓在點(diǎn)522達(dá)到一個(gè)電平Z時(shí)，熔池?zé)崃块_始通過增大焊接電流而遞增。焊接電流的這種增大在區(qū)526中發(fā)生，直到到達(dá)點(diǎn)524。類似地，當(dāng)焊頭向著接合部J的中心運(yùn)動(dòng)時(shí)，伸出在點(diǎn)530可達(dá)到電平Y(jié)。只要伸出電壓在點(diǎn)530上傾向于增大，焊接電流就遞減，以減小熔池中的熱量。區(qū)334表示了直到伸出在點(diǎn)532減小至電平Y(jié)之下的這種作用。因此，焊接熔池溫度控制可在接合部J中的隨后的焊接通過期間得到采用。然而，本發(fā)明的基本優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合圖13和14給出和描述的。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，STT焊接機(jī)中的短路頻率(即具有如圖6所示的周期)是伸出的一個(gè)函數(shù)。通過記錄在時(shí)刻T00的短而測(cè)量短路頻率，該伸出可得到確定并被用于實(shí)施本發(fā)明。這種概念在圖23中得到顯示。線路600上的脈沖是在圖6的STT曲線中的各個(gè)相繼的短路電路產(chǎn)生的。至電壓轉(zhuǎn)換器602的一個(gè)頻率，根據(jù)STT的短路頻率，產(chǎn)生了在線604上的一個(gè)電壓。該電壓表示了伸出長(zhǎng)度并是在本描述中使用的“伸出”。該電壓被用于控制焊接電流。在所示的實(shí)施例，實(shí)際的頻率fa被與在線610上的由電位計(jì)612調(diào)節(jié)的基準(zhǔn)頻率電壓frr進(jìn)行比較。誤差放大器620產(chǎn)生線622上的一個(gè)誤差信號(hào)，以控制電流630，從而把該電流調(diào)節(jié)到電位計(jì)612所設(shè)定的所希望的電平。這將如圖13和14所示地進(jìn)行操作。在STT焊接機(jī)中采用短路頻率是本發(fā)明中采用的測(cè)量伸出的另一電路概念。
權(quán)利要求
1.一種電弧焊接設(shè)備，用于將熔融金屬?gòu)囊粋€(gè)行進(jìn)的焊絲淀積到兩個(gè)并置的板之間的一個(gè)接合部中的一個(gè)焊接熔池中，所述接合部沿著一條焊接路徑延伸并且是通過會(huì)聚多個(gè)壁而形成的，其特征在于，所述設(shè)備包括一個(gè)觸頭保持件，帶有一個(gè)焊絲出口；一個(gè)開關(guān)電源，在所述焊絲從所述出口向著所述接合部移動(dòng)時(shí)把焊接電流引導(dǎo)到所述焊絲，所述行進(jìn)的焊絲在所述觸頭保持件與所述焊接熔池之間限定了一個(gè)電極伸出；一個(gè)用于檢測(cè)所述伸出的長(zhǎng)度的電路；一個(gè)焊頭，用于在與所述接合部橫切的一個(gè)給定的方向上移動(dòng)所述焊絲；用于在所述檢測(cè)到的伸出長(zhǎng)度在所述接合部的邊緣處減小到一個(gè)給定值時(shí)使所述焊頭和所述焊絲的方向反向的裝置；和用于在兩個(gè)相對(duì)的方向上交替地重復(fù)所述的移動(dòng)步驟以使所述焊絲以蛇行圖案沿著所述的焊接路徑行進(jìn)的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電弧焊接設(shè)備，其特征在于，所述短路電弧焊接機(jī)是一種逆變器。
3.一種用于把熔融金屬?gòu)囊粋€(gè)行進(jìn)的焊絲淀積到兩個(gè)并置的板之間的一個(gè)接合部?jī)?nèi)的一個(gè)焊接熔池中的方法，所述接合部沿著一條焊接路徑延伸并且是通過會(huì)聚多個(gè)壁而形成的，一個(gè)觸頭保持件帶有焊絲出口，其特征在于，該方法包括以下步驟(a)當(dāng)所述焊絲從所述出口向著所述接合部行進(jìn)時(shí)，把焊接電流引導(dǎo)到所述焊絲；(b)檢測(cè)所述焊絲的伸出長(zhǎng)度；(c)在與所述接合部橫切的一個(gè)給定方向上移動(dòng)所述焊絲；(d)當(dāng)所述檢測(cè)到的伸出長(zhǎng)度在所述接合部的邊緣處減小到一個(gè)給定的值時(shí)，使所述焊絲的方向反向；和(e)在兩個(gè)相對(duì)的方向交替地重復(fù)所述移動(dòng)步驟，使所述焊絲以蛇行圖案沿著所述焊接路徑行進(jìn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的引導(dǎo)步驟是由一個(gè)開關(guān)電源執(zhí)行的。
5.一種電弧焊接設(shè)備，用于將把熔融金屬?gòu)男羞M(jìn)的焊絲淀積到在兩個(gè)并置的板之間的一個(gè)接合部?jī)?nèi)的一個(gè)焊接溶池中，所述的接合部是通過會(huì)聚多個(gè)側(cè)壁而形成的，其特征在于，所述設(shè)備包括用于以一種大體蛇形圖案在每個(gè)所述側(cè)壁處反方向地移動(dòng)所述行進(jìn)的焊絲橫穿所述的接合部的裝置；一個(gè)測(cè)量電路，用于產(chǎn)生一個(gè)與所述焊絲以伸出成比例的伸出信號(hào)；一個(gè)用于在檢測(cè)的伸出達(dá)到一個(gè)給定的低值時(shí)使所述焊絲的方向反向的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電弧焊接設(shè)備，其特征在于，還包括用于在所述檢測(cè)的伸出大于一個(gè)給定的高值時(shí)減小通過所述焊絲的焊接電流的裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電弧焊接設(shè)備，其特征在于，還包括用于在所述檢測(cè)的伸出小于一個(gè)給定的值時(shí)增大通過所述焊絲的焊接電流的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電弧焊接設(shè)備，其特征在于，所述的伸出信號(hào)是與所述伸出長(zhǎng)度成比例的電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電弧焊接設(shè)備，其特征在于，所述的兩個(gè)板是兩個(gè)管段的端部。
10.一種用于把熔融金屬?gòu)男羞M(jìn)的焊絲淀積到兩個(gè)并置的板之間的一個(gè)接合部?jī)?nèi)的一個(gè)焊接熔池中的方法，所述接合部是通過會(huì)聚多個(gè)側(cè)壁而形成的，其特征在于，所述方法包括以下步驟(a)以大體蛇行的圖案以在每個(gè)所述側(cè)壁處反方向地移動(dòng)所述行進(jìn)的焊絲橫穿所述接合部；(b)產(chǎn)生與焊絲的伸出成比例的伸出信號(hào)；和(c)當(dāng)所述檢測(cè)的伸出達(dá)到了一個(gè)給定的低值時(shí)使所述焊絲的方向反向。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟當(dāng)所述檢測(cè)的伸出大于一個(gè)給定的高值時(shí)減小通過所述焊絲的焊接電流。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟當(dāng)所述檢測(cè)的伸出小于一個(gè)給定的值時(shí)增大通過所述焊絲的焊接電流。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟當(dāng)所述檢測(cè)的伸出小于一個(gè)給定的值時(shí)增大通過所述焊絲的焊接電流。
全文摘要
一種用于把熔化金屬?gòu)男羞M(jìn)的焊絲上淀積到在兩個(gè)并置的板之間的接合部中的一個(gè)焊接熔池中的電弧焊接設(shè)備，所述接合部沿著一個(gè)焊接路徑延伸并通過會(huì)聚壁而形成，所述設(shè)備包括帶有焊絲出口的一個(gè)觸頭保持件；一個(gè)開關(guān)電源，所述行進(jìn)的焊絲限定了所述觸頭保持件與所述焊接熔池之間的一個(gè)電極伸出；用于檢測(cè)所述伸出的長(zhǎng)度的一個(gè)電路；以及，用于作為所述檢測(cè)到的伸出長(zhǎng)度的函數(shù)而調(diào)節(jié)焊接電流的控制裝置。
文檔編號(hào)B23K9/173GK1680064SQ200510065109
公開日2005年10月12日 申請(qǐng)日期2000年3月16日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月16日
發(fā)明者俄里歐特·K·斯塔瓦, 克里斯托弗·舒, 彼得·尼科爾森 申請(qǐng)人:林肯環(huán)球有限公司