在焊接接頭中用自動(dòng)操控執(zhí)行電弧焊接的電弧焊接系統(tǒng)和方法
【專利說(shuō)明】在焊接接頭中用自動(dòng)操控執(zhí)行電弧焊接的電弧焊接系統(tǒng)和方法
[0001]本申請(qǐng)是美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/438，703的部分繼續(xù)申請(qǐng)，并且要求對(duì)該美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/438，703的優(yōu)先權(quán)，該美國(guó)專利申請(qǐng)通過(guò)引用被整體地并入本申請(qǐng)。
發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的電弧焊接系統(tǒng)并且涉及根據(jù)權(quán)利要求9的用電弧操控執(zhí)行電弧焊接的方法。某些實(shí)施方案涉及電弧焊接應(yīng)用。更特別地，某些實(shí)施方案涉及在電弧焊接/接合應(yīng)用中在焊接接頭中操控電弧和/或炬。
技術(shù)背景
[0003]在比如氣體保護(hù)鎢極電弧焊(GTAW)、氣體保護(hù)金屬極電弧焊(GMAW)、等離子電弧焊(plasma arc welding，PAW)等的相關(guān)技術(shù)電弧焊接系統(tǒng)中，如果炬頭關(guān)于焊接槽壁沒(méi)有被恰當(dāng)?shù)囟ㄎ唬缚p質(zhì)量將被不利地影響。例如，因?yàn)楹附硬蹅?cè)壁的鐵質(zhì)材料可以干擾電弧，被不恰當(dāng)?shù)囟ㄎ坏木骖^的電弧可以轉(zhuǎn)移到側(cè)壁而不是焊縫的底部。相反地，如果炬頭被定位得太過(guò)遠(yuǎn)離側(cè)壁，填充材料將不會(huì)相對(duì)于側(cè)壁被恰當(dāng)?shù)乇蝗鄯蟆＿M(jìn)一步地，甚至在焊接過(guò)程的開(kāi)始已經(jīng)被恰當(dāng)?shù)囟ㄎ坏木骖^在焊接過(guò)程期間可能需要被再調(diào)整。這是因?yàn)楣ぜ?cè)壁的對(duì)準(zhǔn)可能不是筆直且準(zhǔn)確的，并且炬頭關(guān)于焊接槽側(cè)壁的相對(duì)位置可能改變，即，隨著炬頭行進(jìn)焊接槽的長(zhǎng)度，焊接頭和槽側(cè)壁之間的距離可以變得更小或更大。此外，在一些情形中，由于機(jī)械加工焊接槽中的偏差，焊接槽的寬度也可以沿其長(zhǎng)度變化。因此，為補(bǔ)償焊接槽中的不對(duì)準(zhǔn)和寬度變化，在使用機(jī)械振蕩、磁振蕩和/或接地切換的情況中，炬頭的位置和/或電弧振蕩的寬度可能需要被調(diào)整。因此，甚至在“自動(dòng)化的”焊接過(guò)程中，操作者可能需要密切觀察焊接操作并且不斷地調(diào)整炬頭的位置和/或電弧振蕩的寬度。
[0004]通過(guò)參考附圖將常規(guī)的、傳統(tǒng)的和設(shè)想的途徑與在本申請(qǐng)的其余部分中提出的本發(fā)明的實(shí)施方案相比較，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，這樣的途徑的進(jìn)一步的限制和缺點(diǎn)將變得明顯。
[0005]發(fā)明描述
[0006]本發(fā)明的目標(biāo)是克服前述的限制和缺點(diǎn)。通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1的具有自動(dòng)化電弧操控的電弧焊接系統(tǒng)，以及通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求9的用電弧操控執(zhí)行電弧焊接的方法，這種問(wèn)題被解決。本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施方案是從屬權(quán)利要求的主題。本發(fā)明的實(shí)施方案包括在用于在針對(duì)電弧焊接/接合應(yīng)用的系統(tǒng)中操控焊接接頭中的電弧和/或炬頭的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的一些示例性實(shí)施方案包括自動(dòng)化電弧操控系統(tǒng)，所述自動(dòng)化電弧操控系統(tǒng)包括接收焊接槽中的電弧和/或炬頭的位置的指示的反饋電路。電弧操控系統(tǒng)還包括將電弧和/或炬頭的位置指示與預(yù)定值相比較的比較電路。預(yù)定值可以是針對(duì)焊接槽中給定點(diǎn)用于電弧和/或炬頭的期望電壓和/或電流值。電弧操控系統(tǒng)進(jìn)一步包括電弧操控裝置，所述電弧操控裝置基于電弧/炬頭的位置指示與預(yù)定值的比較，定位電弧和/或炬頭。
[0007]在一些實(shí)施方案中，系統(tǒng)包括可操作地連接到炬頭的炬電源供應(yīng)器，所述炬頭在形成于至少一個(gè)工件中的焊接槽中創(chuàng)建電弧。系統(tǒng)還包括控制單元，所述控制單元包括監(jiān)測(cè)電弧的電壓、電弧的電流、炬電源供應(yīng)器的功率輸出以及導(dǎo)電嘴至焊件距離中的至少一個(gè)的反饋系統(tǒng)?？刂茊卧敵鰧?duì)應(yīng)于所述監(jiān)測(cè)的反饋信號(hào)?？刂茊卧€包括將反饋信號(hào)與至少一個(gè)預(yù)定值相比較的比較電路，所述預(yù)定值對(duì)應(yīng)于電弧和炬頭中的至少一個(gè)在焊接槽中的位置?？刂茊卧M(jìn)一步包括輸出基于所述比較的操控信號(hào)的電弧操控系統(tǒng)。操控信號(hào)被使用來(lái)控制電弧和炬頭中的至少一個(gè)在焊接槽中的位置。根據(jù)本方法的優(yōu)選的實(shí)施方案，所述反饋信號(hào)基于所述電弧的所述電壓，并且，所述第一預(yù)定值是9伏特并且所述第二預(yù)定值是11伏特。
[0008]在一些實(shí)施方案中，所述方法包括用炬頭在形成于至少一個(gè)工件中的焊接槽中創(chuàng)建電弧。所述方法還包括監(jiān)測(cè)電弧的電壓、電弧的電流、炬頭的功率輸出以及導(dǎo)電嘴至焊件距離中的至少一個(gè)，并且輸出對(duì)應(yīng)于所述監(jiān)測(cè)的反饋信號(hào)。所述方法進(jìn)一步包括將反饋信號(hào)與至少一個(gè)預(yù)定值相比較，所述至少一個(gè)預(yù)定值對(duì)應(yīng)于電弧和炬頭中的至少一個(gè)在焊接槽中的位置，并且輸出基于所述比較的操控信號(hào)。所述方法此外包括基于操控信號(hào)控制電弧和炬頭中的至少一個(gè)在焊接槽中位置。
[0009]從以下描述和附圖將更完整地理解所要求保護(hù)的本發(fā)明的這些和其他特征，以及本發(fā)明圖示說(shuō)明的實(shí)施方案的細(xì)節(jié)。
[0010]附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0011]參考附圖，通過(guò)詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方案，本發(fā)明的上述和/或其他方面將會(huì)更加明顯，在附圖中:
[0012]圖1A和圖1B圖示說(shuō)明系統(tǒng)的示例性實(shí)施方案的功能原理框圖的不同視圖，所述系統(tǒng)用于釬焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆、接合以及焊接應(yīng)用中的任何一個(gè)；
[0013]圖2A-2D圖示說(shuō)明可以由圖1A和圖1B的系統(tǒng)生成的示例性震蕩圖案；
[0014]圖3圖示說(shuō)明系統(tǒng)的示例性實(shí)施方案的功能原理框圖，所述系統(tǒng)用于管道上的釬焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆、接合以及焊接應(yīng)用中的任何一個(gè)；
[0015]圖4圖示說(shuō)明圖3的截面AA的展開(kāi)圖；
[0016]圖5圖示說(shuō)明可以使用圖3的系統(tǒng)來(lái)焊接的示例性焊接接頭；以及
[0017]圖6圖示說(shuō)明在示例性焊接接頭中的電弧擺動(dòng)的各種點(diǎn)處的示例性電弧電壓值。
[0018]詳細(xì)描沐
[0019]現(xiàn)在通過(guò)參考附圖，以下將描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方案。所描述的示例性實(shí)施方案意圖幫助理解本發(fā)明，并非意圖以任何方式限制本發(fā)明的范圍。相似的參考標(biāo)號(hào)全部指示相似的要素。
[0020]圖1A和圖1B圖示說(shuō)明用于焊接/接合應(yīng)用的示例性系統(tǒng)100的不同視圖。為了清晰，某些部件在視圖中未被示出。系統(tǒng)100包括比如GTAW系統(tǒng)的電弧焊接系統(tǒng)。雖然GTAW系統(tǒng)被圖示說(shuō)明，本發(fā)明將與使用電弧用于釬焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆、接合以及焊接應(yīng)用的任何自動(dòng)化系統(tǒng)一起工作。如圖1A中示出的，系統(tǒng)100包括可操作地連接到鎢電極172的電源供應(yīng)器170，鎢電極172被容置在炬頭120中。電源供應(yīng)器170可以具有創(chuàng)建電弧110的起弧器(未示出)，和/或電源供應(yīng)器170可以被配置來(lái)“接觸(touch)”啟動(dòng)電弧110。電源供應(yīng)器170經(jīng)由電極172和電弧110向工件115提供焊接電流。電弧110加熱工件115以創(chuàng)建焊接熔池145。在一些實(shí)施方案中，電源供應(yīng)器170是脈沖直流電(DC)電源供應(yīng)器，雖然交流電(AC)或其他類型的電源供應(yīng)器也是可能的。通用的電弧焊接是已知的，并且將不被詳細(xì)討論。
[0021]如圖1B中所示出的，系統(tǒng)100還可以包括磁電弧振蕩系統(tǒng)130。磁電弧振蕩系統(tǒng)130包括磁頭137、磁極135以及電源供應(yīng)器131。磁極135可以被磁頭137設(shè)置來(lái)具有正極性或負(fù)極性二者之一。磁極135上的極性確定電弧110被引導(dǎo)到何處，S卩，向著極135或遠(yuǎn)離極135 二者之一。在一些實(shí)施方案中，磁電弧振蕩器系統(tǒng)130還可以改變磁場(chǎng)強(qiáng)度以控制電弧110的偏轉(zhuǎn)量。磁電弧振蕩系統(tǒng)130可以被配置來(lái)振蕩電弧110以生成如由箭頭132示出的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)(“電弧擺動(dòng)”)。電弧擺動(dòng)132可以被使用來(lái)通過(guò)生成交織圖案(weaving patterns)改進(jìn)焊道(weld-bead)的幾何結(jié)構(gòu)。例如，磁電弧振蕩系統(tǒng)130可以被使用在比如焊接的“蓋面(cap)”行程(pass)的更寬的焊接行程上。由于到焊縫邊緣的熱量可以被控制，這種技術(shù)提供更好的側(cè)壁熔合。磁電弧振蕩系統(tǒng)130可以被使用于填角焊接以將咬邊(undercutting)最小化。此外，當(dāng)接合不同厚度的材料時(shí)，電弧振蕩可以被控制來(lái)充分地穿入較厚工件同時(shí)防止較薄工件的咬邊。圖2A至圖2D提供可以由磁電弧振蕩系統(tǒng)130生成的一些示例性電弧擺動(dòng)圖案。當(dāng)然，本發(fā)明不限于圖示說(shuō)明的電弧擺動(dòng)圖案，并且生成期望焊縫交織圖案的任何電弧擺動(dòng)圖案可以被使用。此外，與電弧焊接系統(tǒng)相結(jié)合的磁電弧振蕩方法和系統(tǒng)在申請(qǐng)N0.13/438，703中被公開(kāi)，申請(qǐng)N0.13/438，703通過(guò)引用被整體地并入本申請(qǐng)。因此，磁電弧振蕩技術(shù)將不被進(jìn)一步討論。
[0022]如圖1B中所圖示說(shuō)明的，系統(tǒng)100可以進(jìn)一步包括機(jī)械操控裝置180。機(jī)械操控裝置180經(jīng)由支架185可操作地連接到炬頭120。如由箭頭182所示出的，支架185可以被控制以便從焊接槽的一側(cè)到另一側(cè)操控炬頭120。當(dāng)然，只要炬頭120可以被移動(dòng)到焊接槽之內(nèi)的期望部位，其他操控方法和裝置可以被使用。當(dāng)與磁電弧振蕩系統(tǒng)130 —起被使用時(shí)，支架185還可以被可操作地連接到振蕩系統(tǒng)130，以致極135關(guān)于炬頭120的相對(duì)位置是恒定的。因此，機(jī)械操控裝置180可以在焊接槽中定位炬頭120/磁振蕩系統(tǒng)130，以致炬頭120和磁振蕩系統(tǒng)130在恰當(dāng)?shù)奈恢靡詾榇烹娀≌袷幭到y(tǒng)130生成期望的焊縫交織圖案。在一些實(shí)施方案中，類似于磁電弧振蕩系統(tǒng)130，機(jī)械操控裝置可以被使用來(lái)振蕩炬頭120 (以及電弧110)以生成焊縫交織圖案，例如，如上面所討論的。
[0023]系統(tǒng)100還可以包括接地切換電路195，