同步的旋轉電弧焊接方法及系統的制作方法【專利說明】同步的旋轉電弧焊接方法及系統[0001]相關申請的交叉引用[0002]本申請請求2013年9月16日提出申請的，題為"SYNCHRONIZEDROTATINGARCWELDINGMETHODANDSYSTEM(同步的旋轉電弧焊接方法及系統)"的序列號為61/878,404的美國臨時申請的優先權和權益，該臨時申請的全部內容由此出于各種目的以引用方式并入本文。【
背景技術：
】[0003]本發明大體上涉及焊接技術，并且更具體地涉及改進的自動化焊接工藝。本公開與2013年2月14日提出申請的，題為"AdaptableRotatingArcWeldingMethodandSystem(自適應旋轉電弧焊接方法及系統)"的在先美國專利申請13/767，392有關，該美國專利申請由此以引用方式并入本公開。本公開還并入了2012年6月18日提出申請的標題為"MetalCoredWeldingMethodandSystem,(金屬芯焊接方法及系統，）"的美國專利申請13/526,278,以及2012年11月20日提出申請的，題為"DCElectrodeNegativeRotatingArcWeldingMethodandSystem,(直流電極正接旋轉電弧焊接方法及系統)"的美國專利申請13/681,687。[0004]已經開發了一系列技術用于通過焊接操作接合工件。這些技術包括多種工藝和材料，其中大部分現代工藝涉及在消耗或者非消耗電極與工件之間形成電弧。使用非消耗電極的焊接工藝可包括鎢極惰性氣體保護(TIG)焊接工藝，所述工藝采用與填充材料無關的非消耗鎢電極。所述工藝往往按以下類別分組:恒電流工藝、恒電壓工藝、脈沖工藝，等等。然而，對這些工藝之間的進一步劃分是常見的，尤其是在消耗電極以添加填充金屬到焊縫的工藝中。在幾乎所有此類情況下，所選工藝均與填充材料及其形態密切相關，其中某些工藝僅僅利用特定類型的電極。示例性工藝包括但不限于金屬極惰性氣體保護(MIG)焊接和脈沖熔化極氣體保護焊接(GMAW-P)，這兩種焊接形成了有時被稱為氣體保護金屬極電弧焊接(GMAW)的更大分組的一部分。此外，在某些實施例中，可實施其它類型的焊接工藝，諸如熔化極活性氣體保護(MAG)工藝、藥芯焊絲電弧焊(FCAW)工藝、金屬芯電弧焊(MCAW)工藝等等。[0005]在GMAW焊接中，絲狀形式的電極被前進中的焊接熔池消耗，由電極焊絲和工件之間電弧的熱量所熔化。焊絲從卷絲筒連續地被饋送穿過焊炬，在焊炬處將電荷賦予焊絲以形成電弧。在這些工藝中所使用的電極類型往往被稱為實心焊絲、藥芯焊絲或者金屬芯焊絲。每種類型相較于其他類型都被認為具有獨特的優點和缺點，并且優化它們的性能可能需要仔細調整焊接工藝和焊接設置。例如，實心焊絲雖然比其它類型更便宜，但是通常與惰性保護氣體一起使用，而惰性保護氣體可以是相對昂貴的。藥芯焊絲可不需要單獨的保護氣體饋送，但是比實心焊絲更昂貴。金屬芯焊絲需要保護氣體，但是這些保護氣體可經調整為有時比實心焊絲期望的的那些保護氣體更便宜的混合物。[0006]所有這三種電極類型均可與不同的過渡模式一起使用，過渡模式是指將金屬從電極端頭移動到前進焊道的機械和機電現象。存在著多種此類過渡模式，例如短路過渡、熔滴過渡、噴射過渡，以及脈沖噴射(例如，液滴)過渡。在實踐中，過渡物理學可能表現為上述模式的混合，雖然通常選擇工藝和電極來維持特定的過渡方式，但在焊接期間實際的材料過渡可以在它們之間進行轉換。通常，可通過電極44的徑向運動的離心力，并且在某些實施例中與當電極44的軸向運動在前進運動（即，朝向工件14)方向上或者從前進運動（即，朝向工件14)到反向運動（即，遠離工件14)的反轉方向上減慢時在電極44端部的液態金屬的機械慣性結合，來輔助材料過渡，如在下文更詳細描述的。[0007]隨著焊炬前進并且消耗焊絲，其在被稱為焊道的兩個工件之間留下填充材料的沉積物。通常，在過渡模式期間形成的焊道的寬度被視為若干操作參數的作用。根據工件之間的裝配，焊道寬度可能足以或可能不足以確保最終焊接成品的完整性。為了避免這種情況，焊接操作者必須在焊接之前在視覺上檢測任何工件間隙的裝配并且手動補償以確保焊接件的完整性。然而，自動化焊接系統缺乏這種智能考慮并且可能無法容忍超出狹窄的公差(tolerance)范圍的裝配間隙。此外，施加到工件相對薄的部分和/或施加到焊道的過量的熱量可在焊道中形成孔穴。這可導致焊接缺陷、手動返工以及最終丟棄完工的焊接零件。[0008]制造商不斷地尋找新途徑來改善自動化焊接方法，增加焊接件的成電力，并且加速總體制造工藝。然而，目前的自動化焊接技術加上制造商已經開始依賴的工藝的提速可導致具有不良裝配的許多成品工件。【
發明內容】[0009]在一個實施例中，一種焊接方法包括:從焊炬軸向地進給焊接電極，通過焊炬中的運動控制組件相對于焊炬的中心軸以期望的圖案徑向地移動焊接電極，從控制電路傳送與焊接電極相對于焊接接頭或者焊接熔池的位置相對應的信號，使焊炬或者工件前進以產生焊縫，以及將材料從焊接電極過渡到焊接熔池區域中的第一位置。當從焊炬進給焊接電極時焊接電極徑向地移動，在期望的圖案的第一循環期間將來自焊接電極的材料過渡到第一位置，并且至少部分地基于所述信號控制第一位置。[0010]在另一個實施例中，一種焊接方法包括:從焊炬軸向地進給焊接電極，通過焊炬中的運動控制組件相對于焊炬的中心軸以期望的運動圖案徑向地移動焊接電極，從控制電路傳送與在期望的運動圖案內的焊接電極的位置相對應的信號，使焊炬或者工件前進以建立焊縫，以及至少部分地基于所述信號來控制施加到工件和焊接熔池的區域中的至少一者的熱量圖案。當從焊炬進給焊接電極時所述焊接電極徑向地移動。[0011]在另一個實施例中，一種焊接方法包括:在焊接電極和工件之間建立電弧，當通過焊炬中的運動控制組件在約5Hz到200Hz之間的徑向運動速率下以期望的圖案相對于焊炬的中心軸移動焊接電極時從焊炬進給焊接電極，使焊炬或者工件前進以建立焊縫，經由監測焊接電流變化、焊接電壓變化、電弧電壓變化，或者導電嘴到工件距離變化來檢測工件的裝配狀況，以及至少部分地基于焊接電極在所期望的圖案下的位置和當維持電弧時所檢測到的裝配狀況來控制一個或多個焊接參數。所述一個或多個焊接參數包括以下各項中的至少一個:在所期望的圖案下焊接電極的徑向運動，施加到焊接電極的焊接電力的參數，焊炬行進速度，焊炬行進角度，以及焊炬角度。[0012]-種焊接系統包括:配置成接收焊接電力和焊絲的焊炬，以及與所述焊炬相關聯的焊絲運動控制組件。所述焊絲運動控制組件配置成移動所述焊絲，以便焊絲朝向工件前進而建立焊縫。所述焊絲運動控制組件配置成以期望的圖案相對于焊炬的中心軸徑向地移動焊絲。焊接系統包括控制電路，所述控制電路配置成改變給焊絲的焊接電力并且控制材料從焊絲到焊接熔池的外部周邊處的第一位置的過渡。【附圖說明】[0013]當參照附圖閱讀以下詳細描述時，本發明的這些和其他特征、方面和優點將變得更好理解，在全部附圖中相同的附圖標記表示相同的部件，其中：[0014]圖1是利用本技術的各方面的示例性焊接系統的示意圖；[0015]圖2是與圖1的系統一起使用的金屬芯電極的端部部分的詳細視圖；[0016]圖3是表示根據本技術的各方面的金屬芯電極的運動的示意圖；[0017]圖4是沿著線條4-4截取的圖3的運動控制系統的實施例的橫截面俯視圖；[0018]圖5是利用了金屬芯焊絲運動的圓形圖案的前進焊道的示意圖；[0019]圖6是利用了金屬芯焊絲的橢圓路徑的前進焊道的類似圖示；[0020]圖7是利用了金屬芯焊絲的不同取向的橢圓路徑的前進焊道的進一步圖示；[0021]圖8是利用了移動的金屬芯焊絲電極的前進焊道的示例性電弧位置和過渡模式的圖示；[0022]圖9是圖示金屬芯焊接電極的運動和示例性被迫過渡軌跡的時序圖；[0023]圖10是表示電弧過渡工藝期間電極在運動圖案中的位置的示意圖；[0024]圖11是在圖10的運動圖案期間施加到電極的電流波形的時序圖；[0025]圖12是接頭和運動圖案的實施例的剖視圖；[0026]圖13是短路過渡工藝中電極相對于工件移動的一系列位置；[0027]圖14是施加到對應于圖13的位置的電極的電流波形的時序圖；[0028]圖15是對應于圖13的位置的電極的圓周運動圖案；[0029]圖16是對應于圖13的位置的電極的直線運動圖案；[0030]圖17是說明焊接參數與電極位置的同步的方法流程圖；[0031]圖18是具有初始焊接參數的前進的焊炬噴嘴和焊道的圖示，以及當沿著焊接路徑遇到間隙時具有新調節的焊接參數的同一焊炬噴嘴的透視圖；[0032]圖19是沿著焊接路徑檢測裝配并將該信息輸送給成像和參數計算部件以便調節焊接參數的攝像機/檢測裝置的圖示；[0033]圖20是說明用于確定是否以及如何調節一個或若干個焊接參數的示例性邏輯的方法流程圖；[0034]圖21A和圖21B是可用于使電極振蕩運動的焊絲矯直器組件的實施例的側視圖；[0035]圖22是使用本文描述的電極運動控制技術形成的丁字接頭角焊縫的透視圖；以及[0036]圖23是焊接系統的控制部件的示意性方框圖。【具體實施方式】[0037]圖1圖示了利用金屬芯焊絲電極的運動的示例性焊接系統10,但是如先前所論述的，這些技術可與多種類型的焊絲如實心焊絲或者藥芯焊絲一起使用。所述系統10被設計成在工件14上產生焊縫12。焊縫可以任何期望的方式定向，包括對接焊縫、搭接焊縫、角焊縫、離位焊縫等。所述系統包括電源供應器16,所述電源供應器通常耦接至氣源18和電源20(例如電網）。當然，其它電源包括發電機、引擎驅動的電源組等等。送絲裝置22耦接至電源16并且向焊槍24供應金屬芯焊絲。[0038]在所圖示的實施例中，電源供應器16將包括耦接至控制電路28的電力轉換電路26,所述控制電路調節電力轉換電路的操作以產生適用于焊接操作的電力輸出。所述電源供應器可設計和編程為根據多種工藝、焊接方法等等產生輸出電力，所述工藝包括恒電流工藝、恒電壓工藝、脈沖工藝、短路過渡工藝等等。當前預期的實施例可以與各種過渡工藝一起使用，所述過渡工藝包括但不限于短路過渡、熔滴過渡、噴射過渡以及脈沖噴射過渡。在當前預期的實施例中，控制電路28控制電力轉換電路26以產生有助于使材料從金屬芯焊絲過渡到前進焊道的DCEN(有時候稱為"正"極性)焊接方法。然而，當然也可使用其它焊接方法。操作員界面30允許焊接操作員改變焊接工藝和工藝設置兩者。此外，在某些預期的實施例中，操作員界面可以允許選擇修改與焊炬和金屬芯焊絲的運動相關的某些參數。舉例來說，操作員界面30可使得操作員能夠從與電極的徑向運動速率同步的焊接參數中調節比例和/或積分增益(gains)。最后，電源供應器可包括用于調節來自氣源18的保護氣體的流動的閥裝置32。另外，或者作為利用保護氣體的替代，可利用埋弧焊接(例如，SAW)工藝，在所述工藝中電極和電弧浸沒在焊劑層下方。[0039]送絲裝置22通常將包括控制電路，如一般地用附圖標記34所示，所述控制電路調節來自卷絲筒36的焊絲的進給。通常通過使用受到控制電路34的控制的小型電動機，來由驅動組件38驅使焊絲前進。焊絲、氣體以及控制和反饋數據可以經由焊接電纜40在送絲裝置22與焊炬24之間交換。所述工件14還通過工作電纜42耦接至電源供應器，以當電極和工件之間建立電弧時通過電極44完成電學電路。如以下更全面描述，從焊炬前進的電極44被迫移動，例如，由附圖標記46所指示的旋轉運動。[0040]圖1中圖示的焊接系統可以被設計成用于手動操作，盡管本技術的許多應用將被自動化。也就是說，焊炬24將被緊固到機器人或者固定的自動化系統上，所述機器人或者固定的自動化系統被編程以將焊炬相對于工件定位在期望的位置。所述機器人隨后可采取行動以發起電極與工件之間的電弧，并且正確地定向焊炬，使焊炬沿著預定路徑前進，在所述預定路徑中形成焊道以接合兩個部件。如以下更全面描述，在這種自動化應用中，本技術允許極大地提高行進速度并且改善焊道特性。[0041]本技術被設計成與實心焊絲、藥芯焊絲或金屬芯焊絲一起使用，盡管在本發明的實施例中，示出了圖2所示類型的金屬芯焊絲。這種焊絲通常包括包裹在一個或多個金屬芯50周圍的護套48,所述護套由金屬制成。用于生產這種金屬芯焊絲的各種技術是公當前第1頁1 2 3 4 5 6