專利名稱：饋送焊條至焊接電弧處的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明一般說涉及焊接工藝。更具體說，它涉及利用短路方法的焊接。
MIG焊接是一種廣泛應用的方法，它為電極和工件提供高熱量輸入，因而有很高的沉積率。但是，這種方法有時不穩定，難以控制弧長。MIG方法常常以短路焊接來實現。
另一種已知的焊接方法被稱為可控短路焊接，或短路焊接。短路焊接方法常以MIG方法來實現。一般說，短路焊接包括短路狀態，此時，焊條接觸焊口并形成短路，和電弧狀態，此時，在焊條和焊口之間形成電弧。在電弧狀態期間，焊條熔化，而在短路狀態期間，熔化的金屬從焊條末端轉移至焊坑。
短路焊接的缺點與二種狀態之間的轉移和該過程的不穩定性有關。短路狀態到電弧狀態的轉移通常靠提供足夠的電流來“夾”斷一個液滴來實現。大電流下的夾斷可能造成熔化金屬連接橋的猛烈崩解，產生過度的焊接飛濺。焊口被推開也是造成不穩定的原因。
在已有技術中，曾為產生一種穩定的短路焊接電源作出過很多努力，例如美國專利4717807，4835360，4866247，4897523，4954691，4972064，5001326，5003154，5148001，5742029，5961863，6051810和6160241中給出的。一般說，這些專利中公開的復雜控制方案都未能成功控制焊接過程，以獲得穩定和有效的焊接。這些控制方案試圖從用于焊接的總能量，伸出的長度，總瓦數，前一狀態的時間等方面著手來控制材料的沉積和/或預測或形成到達下一狀態的轉移。
這些方案有一個共同的失敗原因它們企圖用輸出電流或功率既對焊接能量，也對狀態間的轉移實現控制。這必然會造成為一個控制目的而犧牲另一控制目的(焊接能量或狀態轉移)。最后的結果是，這些控制方案在控制進入焊接的能量和控制狀態轉移二方面都不成功。
美國專利No.6326591中公開了另一種短路焊接控制系統。這個系統精確地控制了進入焊接的能量，但它并未提供對狀態間轉移的獨立控制。
本發明人已經公布了對一種可控短路焊接方法的說明，這里，焊條的機械運動(進送和回拉)是用來控制焊接狀態之間的轉移的。通過進送焊條直至焊條接觸到焊口而進入短路狀態。電弧狀態的進入則通過回拉焊條直至焊條不再接觸焊口，于是形成了電弧。這個系統可使用傳統的輸出控制去控制遞送至焊接的能量。通過狀態轉移控制與能量控制的分離，該系統可以更好地實現每一種控制。
可控短路焊接系統要求有進送和回拉焊條的能力。本發明人在文章中公開了用步進馬達實現對焊條運動的控制。步進馬達可滿足要求地保障短時間的焊條進送和回拉。
但是，步進馬達不一定能保障長時間的焊條進滿足要求的饋給。因而，最好有一種系統，它能用來進送和回拉焊條，還可長時間饋送焊條。
可控短路焊接的一個問題發生在焊條拉回時。從供料源來的焊條是朝焊接點饋送的，它具有這個方向的動量。回拉馬達使焊條朝反方向運動。由于無任何力量來抵償這個反作用力，焊條的饋送可能不是平穩和有效的。因此，最好有一種可抵償焊條換向的可控短路焊接機。
可控短路焊接的另一個問題是，現有技術未能充分利用狀態轉移的機械控制方法對轉移控制所能達到的優點。因此，最好能有一種可控短路焊接機，它對電弧的電氣控制以控制進入焊接的熱量為目的，而不以從一個狀態轉移到另一狀態為目的。
現有技術未能準確提出短路焊接機在低電流粗焊條時的需求。特別是在低電流如小于100A下焊接粗的焊條，如2.4mm直徑的焊條，會很難實現控制方案。因此，最好有一種可控短路焊接方法，它可以用在相對于焊條直徑來說比較低電流的場合。
發明內容
依據本發明的第一方面，焊接系統中從焊條源饋送焊條的焊條饋送裝置包括毗鄰焊條，用來驅動焊條的一個或多個馬達。焊條饋送馬達也是沿焊條路徑布置的，與焊槍相比，它距離焊條源更近一些，與一臺或多臺馬達相比，它距離焊條源更近一些。
依據本發明的第二方面，焊條饋送裝置包括布置在焊條兩相對側的一對馬達，使焊條移向和移離焊槍的電弧端。
依據本發明的第三方面，一種在焊接系統中提供焊條至焊接處的方法包括用焊條饋送馬達驅動焊條至焊槍和將一臺或多臺馬達的運動迭加到由焊條饋送馬達施加的運動上。
依據本發明的第四方面，一種在焊接系統中提供焊條至焊接處的方法包括用布置焊條兩相對側的一對馬達驅動焊條至焊槍處。
依照本發明的第五方面，一種在焊接系統中提供焊條至焊接處的方法包括在一個作業周期中將焊條驅動至焊槍的電弧端，或從該處拉回焊條，并逆轉焊條的方向。
在不同的實施例中，該一臺或多臺馬達或一對馬達包括在各種實施例中的步進馬達，伺服馬達，零后沖(zero backlash)馬達，無齒輪馬達，行星齒輪驅動馬達，或線性執行機構(如活塞)。
在各種實施例中，該一臺或多臺馬達靠焊槍比靠焊條源更近，接近焊槍和毗鄰焊槍。
在各種實施例中，該一臺或多臺馬達沿前進方向和反方向驅動焊條，并使焊條移向和移離焊槍的電弧端。
在另一實施例中，焊條源包括一盤安裝了的焊條，而沒有焊條饋送馬達毗鄰該處。
在不同的實施例中，可以沒有，也可以有焊條饋送馬達。
在不同的實施例中，一對馬達或者相互直接面對面布置，或者一前一后布置。
在閱讀以下附圖，詳細說明和所附權利要求書之后，對本領域技術人員來說，本發明的其他主要特性和優點會更明顯。
圖1是依照本發明的焊接系統框圖；圖2是依照本發明的帶緩沖器和可逆馬達的焊槍；圖3是圖2焊槍的剖面圖；圖4是依照本發明的緩沖器的詳細剖面圖；圖5是依照本發明，作為緩沖器一部分的焊接纜線的剖面圖；和圖6是依照本發明的作業周期波形。
在詳細說明本發明的至少一種實施方案之前，應理解的是，本發明的應用并不限于下面詳細說明和附圖中所給出的具體結構和布置。本發明可以有其他實施方案或可以其他方式實現。此外，可以理解，此間所采用的措詞和術語是為了說明的目的，而不應理解為限制。相同的標志數字用來表示相同的部件。
一般說，本發明是用于可控短路焊接的一種方法和設備，它包括對電弧和短路二種狀態之間轉移的機械控制。在一種實施方案中，該作業包括一脈沖模式。對焊接能量的控制是利用輸出電流或電壓的幅值，波形，時間等來實現的。這樣，借助于，例如，在狀態轉移發生時或在預期的狀態轉移時改變電流，可以使狀態轉移發生，并可以使電流與狀態的轉移相協調，以減少飛濺，不穩定性或其他不希望有的特性。
狀態的機械控制是靠進送和回拉電弧處的焊條實現的。一次進送和隨后的一次回拉形成一個作業周期(作業周期，應用于此處時，包括諸如一次電弧狀態，加上隨后的一次短路狀態或電弧狀態加上隨后的短路狀態，隨后的脈沖狀態等等的一個周期)。在該優選方案中，進送和回拉是由一對馬達完成的，它們面對面地分別布置在焊條的一側，并靠近焊槍(或固定在其上)。在不同實施方案中，馬達可以是步進馬達，伺服馬達，行星齒輪驅動馬達，零后沖馬達，無齒輪馬達，或用線性傳動裝置替代。在一種方案中，這對馬達布置成一前一后。
在本優選方案中用的是步進馬達，步數，每步的角度和幅度是可控的，并可用來控制焊條進送和回拉的距離。
本優選方案包括固定在焊條源，例如焊條盤，附近的焊條饋送馬達，它將焊條送至焊槍(有的方案沒有這個馬達)。當可逆馬達回拉焊條時(此時焊條饋送馬達繼續進給焊條)，緩沖器用來接納焊條饋送馬達和可逆馬達之間的焊條增加。類似地，當可逆馬達進送焊條時，焊條被拉出緩沖器。除焊條饋送馬達造成的運動外，可逆馬達也移動焊條末端，或者說，可逆馬達將其運動迭加到由焊條饋送馬達造成的運動上。焊條饋送馬達的速度是跟蹤可逆馬達的平均速度的，這樣，按平均數考慮，在本優選方案中，二種馬達驅動的焊條長度是相同的。
緩沖器可以是可儲存和返回多余焊條或可在焊條源和焊槍間提供較大焊條路徑長度的任一種設備。本優選方案的緩沖器包括至少在從焊條源至焊槍的一部分距離上的焊條周圍的焊條襯套。襯套布置在較大的管中，可以在管內彎曲和拐折，這樣，可增加在給定長度的管內的焊條長度。該管固定在一空心軸上，焊條則穿過這個軸。軸在一個位置上固定。這樣，當焊條回拉時，焊條相對于管和軸移動(或者可以說管和軸相對于焊條移動)。軸可安裝成沿焊條的軸線滑動，因此相對于焊槍頭部運動，從而增大了焊槍頭部(電弧末端)和焊槍的焊條源端之間的焊條路徑長度。
或者，襯套可以安裝在軸上，則焊條相對于襯套運動。在本優選方案中，襯套是可壓縮的，例如螺旋彈簧，這樣，當焊條回拉時，彈簧被壓縮。還可以配備探測緩沖器中焊條總量或焊條張力的探測器，受控過程(例如平均的焊條饋送速度)可受控對此作出反應。
在該優選方案中，還有一個控制器，它使馬達在一個作業周期中至少反轉一次，它還基于平均電弧電流(僅指電弧狀態期間的平均電流或其函數)，功率，能量，電壓或其他焊接輸出參數來控制輸出電流。除傳統焊接參數外，反饋可包括短路探測，緩沖器反饋，張力反饋，焊口振動中的一項或多項。其他可采用的反饋包括時常少于每周期一次的反向。另一種方案為焊接期間的重復反向(即，不僅僅是在焊接結束時)，而不是每周期一次。
例如，電弧周期結束時的制動可在焊條和液滴間加力，它可在無回拉動作的情況下斷開液體連接橋。這尤其適用于焊條直徑較小和短路頻率較高的情況。液滴在制動前具有焊條的速度。這個動能足以斷開液體通道。在此情況下，不再需要回拉。
還可以通過控制焊條進入焊口的進送來控制熱量，熔深，和/或焊珠的形成。電弧狀態和短路狀態的時間比例(電弧平衡)可由用戶設定(如果用到脈沖狀態，則可以是其時間)。對諸如極性(平衡)，氣體混合物等參數的控制可以與電弧/短路的時間比例(或其他參數)協調完成。
現在參見圖1，依照本優選實施方案，焊接系統100包括電源102，焊條饋送裝置104，控制器106和焊槍108，供應管線112供給焊接電流，氣體，水，控制，和馬達用電流到焊槍108，它們共同為焊接纜線105和107提供焊接電流到工件110上。電源102，焊條饋給裝置104和控制器106可以是商品焊接系統部件，諸如Miller Invision456電源和改進的Miller XR焊接饋送裝置。在這里，電源包括任何可供應焊接，等離子體切斷，和/或感應加熱電力設備，包括諧振電源，準諧振電源等，還包括所附控制電路和其他輔助電路。在這里，電源包括諸如整流器，開關，變壓器，SCR等處理并提供輸出能量的電源電路。在這里，焊條饋送裝置包括驅動焊條的馬達或機構，焊條的固定件，與此有關的控制機構，和附屬的硬件和軟件。它可以包括一臺在焊條源附近并將焊條推至焊接處的馬達，和/或一臺或多臺在焊槍附近，拉動焊條進入管道和至接觸頭部，或從接觸頭部往回拉動焊條的馬達。在這里，焊條通道包括焊條從焊條源至焊槍或電源所取的路徑，還可包括通過襯套，緩沖器等。
控制器106在本實施例中是焊條饋送裝置104和電源102的一部分。控制器106還包括適合于本發明的一些控制模塊，例如用來控制可逆馬達的可逆焊條饋送裝置控制模塊，平均電弧電流模塊，和用于電弧狀態機械控制的控制模塊。這里用的控制器包括數字和模擬電路，分立或集成電路，微處理器，DSP，等，以及軟件，硬件和固件，它們布置在一塊或多塊板上，用來控制諸如電源和/或焊條饋送裝置的設備。在這里，控制模塊可以是數字或模擬的，并包括硬件或軟件，并執行某具體控制功能。例如，平均電弧電流控制模塊控制輸出，以提供所需的平均電弧電流。
圖2較詳細地示出了焊槍108。除已有焊槍技術的零部件外，焊槍108還包括一對馬達罩203和205，用來驅動焊條移向或移離焊接口的馬達布置在其內，還有一緩沖器201，焊條回拉時，它接納焊條209，焊條進送時，則供應焊條209。在這里，緩沖器包括在焊條方向逆向時接納焊條和在焊條時送時提供焊條的部件。電弧處的焊條末端圖中以207表示。在本優選方案中，馬達罩和緩沖器毗鄰焊槍，在其他實施方案中則靠近焊槍。這里所說的毗鄰焊槍包括直接或通過外罩毗連、接觸焊槍或是焊槍的一部分。在這里，靠近焊槍包括離焊槍要比離焊條源近得多，例如，位于從焊條源至焊槍間的距離的75％之后。一種實施方案提供的手持焊槍包括固定在焊槍的一小盤焊條。
圖3是圖2的焊槍沿A-A線截取的剖面圖。一對馬達301和302最好是步進馬達(雖然它們也可以是其他馬達)，它們驅動焊條并且分別布置在焊條的相對兩側上，直接面對面，毗鄰焊條，因而作用在焊條上的力基本上是相等的。在其他可選方案中，它們是一前一后布置的，或者布置在焊條的同一側。在這里，直接面對面包括基本上在沿焊條路徑的同一位置處。在這里，毗鄰焊條布置包括離焊條足夠近以便推動或拉動焊條。在這里，驅動焊條包括將焊條移向焊槍和移離焊槍之一或二者皆有。
在圖3中也可看到緩沖器201，但圖4中表示得更詳盡，它包括固定在支承403上的軸401。軸401有一空心軸心，焊條209穿過它通過。焊接纜線105(圖1和5)由外管501和襯套503構成，焊條209布置在其內。襯套503的外徑顯著地小于管501的內徑，以允許襯套503在管501內彎折時接納或儲存焊條的長度。襯套503最好是螺旋彈簧，它可以壓縮和延伸，以進一步緩沖焊條。儲存焊條的長度，在這里，包括在焊條方向逆向時接納焊條。顯著地大于襯套的外徑，在這里，包括有足夠移動和彎折的空間。焊條襯套，在這里，包括焊條在其中可容易運動的管子。管501是固定在軸401上的，因此，焊條209相對于軸401移動。
還可包括一個探測緩沖器201接納的焊條總量的探測器。這類探測器的示例包括當焊條運動經過它時就會轉動的帶編碼器的輪子，或一個帶有鐵氧體材料或磁性材料襯套的線性變換器。控制器包括接收反饋的緩沖器反饋輸入，并提供響應于緩沖器反饋的焊條饋送馬達輸出。焊條內的張力也可被探測并用來控制焊接作業。
作業過程的控制從電氣角度看是比較容易的，因為過程控制是通過焊條位置的機械控制完成的。因此，焊接電流成為獨立的過程參數，這與傳統的MIG過程完全相反。
一種理想的控制方案用平均電弧電流(電弧狀態期間的平均電流，或其函數)作為控制變量。與已有控制方法相比，這可更好地控制熔化和用于焊接的熱量，并減少飛濺和不穩定性。用平均電弧電流來控制熱量是可能的，因為電弧電流不是用來形成從電弧至短路的轉移的(或逆向轉移)。狀態的控制也可與電流控制協調一致。例如，如果狀態轉移發生在T1時刻，電流轉移可在此前一點點發生，以防止中斷焊口。另一控制特點是可允許用戶設置電弧與短路的時間比，或EP和EN間的平衡。
一種理想的電弧波形示于圖6中，它包括有三段的電弧電流波形——起始高電流段，中等電流段和低電流段。低電流段是在短路形成前進入的，從而有助于到短路狀態的平穩轉移。
因為焊接電流成為獨立過程參數，所以可將電流設置為這樣的值，這個值可將作業過程引導至由物理行為確定的所需狀態。對低飛濺材料轉移來說，當電導體截面小時作用于液體的力必須低。因此，在這些階段的電流也必須低。在短路狀態中段期間，這里呈現出電導體的較大截面，則可以用大的力來移動液體。此外，短路中段期間的大電流也是可能的。在電弧階段，電流可用來移動液體和決定熔化速率。
本發明可與已知控制方案一起使用，但因不再對導致轉移的電流水平有要求，而能以更理想的方式來實現。例如，利用弧長或伸出量為控制變量的方案可容易地實現，因為步進馬達可準確測量伸出量。由于轉移是機械方式造成的，每次作業周期都可重新確定弧長。
本發明可用于各種作業，包括但不限于焊極正，焊極負，交替極性，ac mig，mig釬焊，硬飾面，和低電流下的粗焊條焊接。例如，利用本發明，2.4mm焊條可在100A甚至35A或更小的電流下實現焊接。現有技術的系統對粗焊條需要更大的電流才能清除短路和進入電弧狀態。本發明不是靠電流來清除短路的，所以可以用粗焊條和小電流。
控制最好能把焊條饋送馬達的速度與步進馬達的平均速度聯系起來，使焊條的饋送速度能跟隨作業速度。20-30作業周期(大約500msec)的平均速度可保障有效控制。
通過監測形成短路或形成電弧前焊條行進的距離，可以確定焊口的振動頻率。一種控制方案可調整狀態轉移的時間使其與焊口振動的自然頻率吻合。控制器包括實現這個控制方案的頻率模塊和焊口振動反饋電路。短路探測反饋電路也可用作為控制回路的一部分。
可以對本發明作出很多變動，但仍屬于此處所指定的范圍。因此，很明顯，這里所提供的依照本發明的用來控制短路焊接的方法和設備是完全滿足前面所述目的和優點的。雖然本發明是結合若干具體實施方案說明的，很顯然，對本領域技術人員來說，很多可選方案，修改和變更是顯然的。因此，我們的意圖是包含屬于權利要求書精神和廣義范圍的所有可選方案，修改和變更。
權利要求
1.一種在焊接系統中用來以焊條源饋送焊條的焊條饋送裝置包括毗鄰焊條布置并布置成能驅動焊條的至少一臺步進馬達；沿從焊條源至焊槍的焊條路徑布置的焊條饋送馬達，其中，焊槍距離該至少一臺步進馬達要比焊槍距離焊條饋送馬達為近，其中，焊條饋送馬達布置得與焊條相接觸并把焊條從焊條源向焊槍驅動。
2.如權利要求1的焊條饋送裝置，其中該至少一臺步進馬達沿焊條路徑的布置是距離焊槍要近于距離焊條源。
3.如權利要求1的焊條饋送裝置，其中該至少一臺步進馬達是沿焊條路徑靠近于焊槍布置的。
4.如權利要求1的焊條饋送裝置，其中該至少一臺步進馬達有一反向方向和一前向方向，并且該馬達被布置成能使焊條向焊槍的電弧端移動。
5.如權利要求1的焊條饋送裝置，其中焊條源包括一盤安裝的焊條但沒有毗鄰它的焊條饋送馬達。
6.用來從焊條源饋送焊條至焊接處的焊條饋送裝置，包括一對布置在焊條相對兩側并被布置成能使焊條移向和移離焊槍電弧端的馬達。
7.如權利要求6的焊條饋送裝置，其中該對馬達是沿從焊條源至焊槍的焊條路徑，毗鄰焊槍布置的。
8.用來從焊條源饋送焊條至焊接處的焊條饋送裝置，包括至少一臺毗鄰焊條布置并布置成能驅動焊條的伺服馬達。
9.從焊條源饋送焊條至焊接處的焊條饋送裝置，包括至少一臺毗鄰焊條布置并被布置成能驅動焊條的零后沖(zero backlash)馬達。
10.用來從焊條源饋送焊條至焊接處的焊條饋送裝置，包括沿焊條路徑布置并布置成接觸焊條和從焊條源移動焊條至焊槍的焊條饋送馬達；毗鄰焊條布置并被布置成能驅動焊條離開焊槍電弧端的至少一個線性執行機構。
全文摘要
在焊接系統中饋送焊條的一種方法和設備包括毗鄰焊條布置以驅動焊條的一臺或多臺馬達。一臺焊條饋送馬達也沿焊條路徑布置，它距離焊條源要近于距離焊槍，并且距離焊條源要近于距離一臺或多臺馬達。這些馬達可以是布置在焊條相對兩側的一對馬達，并移動焊條朝向或離開焊槍的電弧端。這些馬達最好在一個作業周期中逆轉焊條的方向。在各實施例中，該一臺或多臺馬達可以是步進馬達，伺服馬達，零后沖馬達，無齒輪馬達，行星齒輪驅動馬達，或線性執行機構(如活塞)。
文檔編號B65H20/24GK1478630SQ0314644
公開日2004年3月3日 申請日期2003年7月22日 優先權日2002年7月23日
發明者格爾德·休伊曼, 彼特·亨尼埃克, 理查德M·哈奇森, M 哈奇森, 亨尼埃克, 格爾德 休伊曼 申請人:伊利諾斯器械工程公司