使用組合填充焊絲送進(jìn)和高強(qiáng)度能量源在受控電弧放電頻率下進(jìn)行焊接的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】在此披露與本發(fā)明的實施例一致的系統(tǒng)和方法，其涉及使用一種熱絲焊接技術(shù)將耗材(140)沉積到工件(115)上，該熱絲焊接技術(shù)采用熱絲和弧焊的組合。波形(500)在該熱絲焊接操作過程中產(chǎn)生電弧事件，以便在該焊接工藝中添加/控制熱量。該熱絲焊接工藝可以單獨地使用，與激光(120)或與其他焊接工藝結(jié)合使用。
【專利說明】使用組合填充焊絲送進(jìn)和高強(qiáng)度能量源在受控電弧放電頻率下進(jìn)行焊接的方法和系統(tǒng)
援引并入
[0001 ] 本申請要求2014年2月24日提交的臨時申請61/943,633、以及2014年12月5日提交的美國專利申請14/561,904的優(yōu)先權(quán)，這些申請通過引用以其全文結(jié)合在此，并且本申請是2011年8月17日提交的美國專利申請?zhí)?3/212,025的部分繼續(xù)申請并且要求其優(yōu)先權(quán)，該申請通過引用以其全文結(jié)合在此，該美國專利申請?zhí)?3/212,025是2009年I月13日提交的美國專利申請?zhí)?2/352，667的部分繼續(xù)申請，該申請通過引用以其全文結(jié)合在此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]特定實施例涉及填充焊絲恪覆(overlaying)應(yīng)用以及焊接和接合應(yīng)用。更具體地說，特定實施例涉及利用熱絲沉積工藝與激光焊接工藝或弧焊工藝的系統(tǒng)和方法。再更具體地說，本發(fā)明提供分別根據(jù)權(quán)利要求1和12的前序部分的一種耗材沉積系統(tǒng)和方法。
發(fā)明背景
[0003]最近，已經(jīng)在熱絲焊接中取得進(jìn)展。然而，這些工藝和系統(tǒng)中的一些可能不將所希望的或必需的熱量輸入提供到焊接或熔覆操作中。因此，可能希望將附加熱量提供到焊接或熔覆操作中。
[0004]通過這種方法與本申請的其余部分中參照附圖闡述的本發(fā)明的實施例相比較，常規(guī)、傳統(tǒng)和所提出的方法的進(jìn)一步的局限性和缺點對本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言將變得明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的實施例包括一種使用熱絲技術(shù)在熔覆、熔敷(cladding)、接合或焊接工藝中使材料沉積的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實施例利用熱絲沉積方法，其中在焊絲與工件之間產(chǎn)生多個電弧放電事件以輔助該工藝。這些電弧放電事件可以輔助控制提供到該工藝中的熱量輸入，以及增加該工藝的性能，而不危害該工藝的完整性。
[0006]所要求保護(hù)的本發(fā)明的這些和其他特征及其所展示的實施例的細(xì)節(jié)和其他實施例將從以下描述、權(quán)利要求書和附圖中得到全面理解。
附圖簡要說明
[0007]通過參考附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實施例，本發(fā)明的上述和/或其他方面將會更加清晰，在附圖中:
[OOO8 ]圖1為熱絲和激光系統(tǒng)的一個不例性實施例的圖解表不；
[0009]圖2為熱絲和弧焊系統(tǒng)的一個示例性實施例的圖解表示；
[0010]圖3為熱絲電源和在其中利用該熱絲電源的系統(tǒng)的一個示例性實施例的進(jìn)一步圖解表示；
[0011]圖4為根據(jù)本發(fā)明的熱絲工藝的示例性電壓和電流波形的圖解表示；
[0012]圖5為與弧焊電流波形同步的示例性熱絲電流波形的圖解表示；
[0013]圖6為熱絲焊接的在該工藝開始時的示例性波形的圖解表示；
[0014]圖7為本發(fā)明的焊接系統(tǒng)的另一個示例性實施例的圖解表示；
[0015]圖8A和圖SB為可以與本發(fā)明的實施例一起使用的示例性電流波形的圖解表示；
[0016]圖9為可以被本發(fā)明的實施例利用的另一個示例性焊接波形的圖解表示;并且
[0017]圖1OA和圖1OB為可以用本發(fā)明的示例性實施例實現(xiàn)的示例性焊接接縫橫截面。
詳細(xì)說明
[0018]現(xiàn)在將參考附圖來在下面描述本發(fā)明的示例性實施例。所描述的示例性實施例旨在幫助理解本發(fā)明，而并不旨在以任何方式限制本發(fā)明的范圍。貫穿全文，相同的參考數(shù)字指代相同的元件。
[0019]圖1示出了用于執(zhí)行釬焊、熔敷、堆焊(buildingup)、填充、表面硬化熔覆和接合/焊接應(yīng)用中的任一種的組合填充焊絲送進(jìn)器和能量源系統(tǒng)100的示例性實施例的功能性示意框圖。系統(tǒng)100包括能夠使激光束110聚焦到工件115上從而對工件115加熱的一個激光子系統(tǒng)。該激光子系統(tǒng)是高強(qiáng)度能量源。該激光子系統(tǒng)可以是任何類型的高能激光源，包括但不限于二氧化碳、Nd: YAG、Yb-盤、YB-光纖、光纖輸送或直接二極管激光系統(tǒng)。此外，如果其他類型的激光系統(tǒng)具有充分的能量，它們可以被使用。該系統(tǒng)的其他實施例可以包括用作高強(qiáng)度能量源的電子束、等離子體弧焊子系統(tǒng)、鎢極氣體保護(hù)弧焊子系統(tǒng)、氣體保護(hù)金屬弧焊子系統(tǒng)、焊劑藥芯焊絲弧焊子系統(tǒng)、和埋弧焊子系統(tǒng)中的至少一者。以下說明將重復(fù)提到激光系統(tǒng)、射束和電源，然而，應(yīng)理解的是，這種引用是示例性的，因為可以使用任何高強(qiáng)度能量源。例如，高強(qiáng)度能量源可以提供至少500W/cm2。該激光子系統(tǒng)包括彼此操作性地連接的一個激光裝置120和一個激光電源130。激光電源130提供用于操作激光裝置120的功率。
[0020]系統(tǒng)100還包括能夠提供至少一根電阻填充焊絲140來與激光束110附近的工件115相接觸的一個熱填充焊絲送進(jìn)器子系統(tǒng)。當(dāng)然，應(yīng)理解的是，通過在本文中引用工件115，熔融池被認(rèn)為是工件115的一部分，因此對與工件115的接觸的引用包括與熔池的接觸。該熱填充焊絲送進(jìn)器子系統(tǒng)包括一個填充焊絲送進(jìn)器150、一個導(dǎo)電管160、以及一個熱絲電源170。在操作過程中，引導(dǎo)激光束110的填充焊絲140被來自操作性地連接在導(dǎo)電管160與工件115之間的熱絲焊接電源170的電流電阻加熱。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，熱絲焊接電源170是脈沖直流(DC)電源，然而交流(AC)或其他類型的電源也是可能的。焊絲140從填充焊絲送進(jìn)器150通過導(dǎo)電管160被朝著工件115送進(jìn)并且延伸到該管160之外。焊絲140的延伸部分被電阻加熱，這樣使得延伸部分在接觸到工件上的焊接熔池之前接近或達(dá)到熔點。激光束110用于使工件115的基底金屬中的一些熔化以形成焊接熔池并且還使焊絲140熔化到工件115上。電源170提供電阻熔化填充焊絲140所需的大部分能量。根據(jù)本發(fā)明的某些其他實施例，送進(jìn)器子系統(tǒng)可能能夠同時提供一根或多根焊絲。例如，第一焊絲可以用于表面硬化和/或為工件提供耐腐蝕性，而第二焊絲可以用于向工件添加結(jié)構(gòu)。
[0021]系統(tǒng)100進(jìn)一步包括能夠使激光束110(能量源)和電阻填充焊絲140沿著工件115朝同一方向125移動(至少在相對意義上)的一個運動控制子系統(tǒng)，這樣使得激光束110和電阻填充焊絲140彼此保持相對固定。根據(jù)不同的實施例，工件115與激光/焊絲組合之間的相對運動可以通過實際移動工件115或通過移動激光裝置120和熱絲送進(jìn)器子系統(tǒng)來實現(xiàn)。在圖1中，該運動控制子系統(tǒng)包括操作性地連接到一個機(jī)器人190上的一個運動控制器180。運動控制器180控制機(jī)器人190的運動。機(jī)器人190操作性地連接(例如，以機(jī)械方式固定)到工件115上從而使工件115在方向125上移動，這樣使得激光束110和焊絲140沿著工件115有效地行進(jìn)。根據(jù)本發(fā)明的替代性實施例，激光裝置110和導(dǎo)電管160可以被整合到單個頭中。該頭可以經(jīng)由操作性地連接到該頭上的運動控制子系統(tǒng)來沿著工件115移動。
[0022]通常，存在可以使高強(qiáng)度能量源/熱絲相對于工件移動的若干種方法。如果工件是圓的，例如，高強(qiáng)度能量源/熱絲可以是靜止的，而工件可以在該高強(qiáng)度能量源/熱絲下旋轉(zhuǎn)?？商娲?，機(jī)器人臂或線性牽引機(jī)可以平行于圓形工件移動，當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)時，高強(qiáng)度能量源/熱絲可以連續(xù)地移動或者每個循環(huán)轉(zhuǎn)位一次以便(例如)熔覆圓形工件的表面。如果工件是扁平的或至少不是圓的，則工件可以如圖1中所示的在高強(qiáng)度能量源/熱絲下移動。然而，機(jī)器人臂或線性牽引機(jī)或甚至安裝射束的滑架可以用于使高強(qiáng)度能量源/熱絲頭相對于工件移動。
[0023]系統(tǒng)100進(jìn)一步包括一個感測和電流控制子系統(tǒng)195，該感測和電流控制子系統(tǒng)操作性地連接到工件115和導(dǎo)電管160上(S卩，有效地連接到熱絲電源170的輸出端上)并且能夠測量工件115與熱絲140之間的電勢差(S卩，電壓V)和通過它們的電流(I)。感測和電流控制子系統(tǒng)195可能進(jìn)一步能夠從所測量的電壓和電流計算電阻值(R = V/I)和/或功率值(P= V*I)。通常，當(dāng)熱絲140與工件115接觸時，熱絲140與工件115之間的電勢差為零伏特或者非常接近零伏特。然而，在其他示例性實施例中，焊絲140與工件115之間的電壓降在2至8伏特范圍內(nèi)。其結(jié)果是，如本文中稍后更詳細(xì)描述的，感測和電流控制子系統(tǒng)195能夠在電阻填充焊絲140與工件115接觸和操作性地連接到熱絲電源170上時進(jìn)行感測，從而進(jìn)一步能夠響應(yīng)于該感測而控制通過電阻填充焊絲140的電流流動。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，感測和電流控制子系統(tǒng)195可以是熱絲電源170的一體的部分。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的實施例，運動控制器180可以進(jìn)一步操作性地連接到激光電源130和/或感測和電流控制器195上。以此方式，運動控制器180和激光電源130可以彼此通信，這樣使得激光電源130知道工件115什么時候運動，并且這樣使得運動控制器180知道激光裝置120是否是活動的。類似地，以此方式，運動控制器180以及感測和電流控制器195可以彼此通信，這樣使得感測和電流控制器195知道工件115什么時候運動，并且這樣使得運動控制器180知道熱填充焊絲送進(jìn)器子系統(tǒng)是否是活動的。此類通信可以用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)100的不同子系統(tǒng)之間的活動。
[0025]如以上所描述的，該高強(qiáng)度能量源可以是任何數(shù)目的能量源，包括焊接電源。此高強(qiáng)度能量源的一個示例性實施例在圖2中示出，該圖示出了類似于圖1所示的系統(tǒng)100的系統(tǒng)200。該系統(tǒng)200的許多部件類似于系統(tǒng)100中的部件，并且因此將不再詳細(xì)討論這些部件的操作和利用。然而，在系統(tǒng)200中，該激光系統(tǒng)被一個弧焊系統(tǒng)(諸如GMAW系統(tǒng))替代。該GMAW系統(tǒng)包括一個電源213、一個焊絲送進(jìn)器215和一個焊炬212。焊接電極211經(jīng)由焊絲送進(jìn)器215和焊炬212被遞送到熔融池。在此描述的該類型的GMAW焊接系統(tǒng)的操作是眾所周知的，并且不需要在此詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)注意盡管GMAW系統(tǒng)關(guān)于所描繪的示例性實施例來示出和討論，本發(fā)明的示例性實施例也可以與以下各項一起使用:GTAW、FCAW、MCAW和SAW系統(tǒng)、熔敷系統(tǒng)、釬焊系統(tǒng)、以及這些系統(tǒng)的組合等，包括使用電弧來輔助將耗材轉(zhuǎn)移到工件上的熔融池的那些系統(tǒng)。未在圖2中示出的是可以根據(jù)已知方法使用的一個保護(hù)氣體系統(tǒng)或子電弧焊劑系統(tǒng)。
[0026]類似以上所描述的激光系統(tǒng)，這些電弧生成系統(tǒng)(其可以用作高強(qiáng)度能量源)用于產(chǎn)生熔融池，使用如以上詳細(xì)描述的系統(tǒng)和實施例將熱絲140添加到該熔融池。然而，利用該電弧生成系統(tǒng)，如已知的，一種附加耗材211也被添加到該熔池。此附加耗材添加到由在此描述的熱絲工藝所提供的已經(jīng)增加的沉積性能。此性能將在以下進(jìn)行更詳細(xì)的討論。
[0027]此外，如通常已知的，電弧生成系統(tǒng)(諸如GMAW)使用高電流電平來在前進(jìn)的耗材與工件上的熔融池之間生成電弧。類似地，GTAW系統(tǒng)使用高電流電平來在電極與耗材之間生成電弧，耗材被添加到該電弧中。如通常已知的，許多不同的電流波形可以被用于GTAW或GMAW焊接操作，諸如恒定電流、脈沖電流等。然而，在系統(tǒng)200的操作過程中，電源213所生成的電流可能干擾電源170所生成的用于加熱焊絲140的電流。因為焊絲140鄰近電源213所生成的電弧(因為它們各自被指引到同一熔融池，類似于以上所討論的熔池)，對應(yīng)的電流可能彼此干擾。具體地，每個電流生成一個磁場，并且那些場可能彼此干擾并且有害地影響它們的操作。例如，該熱絲電流所生成的這些磁場可能干擾電源213所生成的電弧的穩(wěn)定性。也就是說，在對應(yīng)電流之間沒有適當(dāng)控制和同步的情況下，這些競爭的磁場可能使該電弧不穩(wěn)定并且因此使該工藝不穩(wěn)定。因此，示例性實施例利用電源213與170之間的電流同步以便確保穩(wěn)定操作，這在以下將進(jìn)行進(jìn)一步討論。
[0028]如上所述，由對應(yīng)電流所引起的磁場可能彼此干擾，并且因此本發(fā)明的實施例使這些對應(yīng)電流同步。同步可以經(jīng)由不同方法來實現(xiàn)。例如，感測和電流控制器195可以用于控制電源213和170的操作以便使這些電流同步?？商娲?，在這些電源中的一個用于控制另一個的輸出的情況下，一種主從關(guān)系也可以被利用。這些相對電流的控制可以通過多種方法來實現(xiàn)，這些方法包括控制電源的狀態(tài)表或算法的使用，這樣使得這些電源的輸出電流被同步用于穩(wěn)定操作。這將在以下進(jìn)一步討論。例如，一種類似于美國專利公開號2010/0096373所描述的系統(tǒng)和裝置的基于雙態(tài)的系統(tǒng)和裝置可以被利用。2010年4月22日公開的美國專利公開號2010/0096373通過引用以其全文結(jié)合在此。
[0029]系統(tǒng)100和200的結(jié)構(gòu)、使用、控制、操作和功能的更詳細(xì)討論在本申請要求其優(yōu)先權(quán)的美國專利申請(在本申請的開始)中列出，這些美國專利申請中的每一個由于它們涉及在此描述和討論的系統(tǒng)以及其中所討論的替代性實施例而通過引用以其全文完全結(jié)合在此，這些美國專利申請為效率和清楚起見在此不重復(fù)。
[0030]圖3描繪了本發(fā)明的系統(tǒng)300的另一個示例性實施例的圖解表示。類似系統(tǒng)200，系統(tǒng)300利用一個組合的熱絲和弧焊工藝。系統(tǒng)300的功能和操作類似于系統(tǒng)200的功能和操作，并且因此將不重復(fù)類似的功能性。如圖所示，系統(tǒng)300包括引導(dǎo)牽引熱絲140的一個引導(dǎo)弧焊電源301。電源301被示出為GMAW型電源，但實施例不限于此，如GTAW型電源也可以被利用。焊接電源301可以具有任何已知的構(gòu)造。另外描述的是一種熱絲電源310(其可以與圖1和圖2所示出的電源相同)連同其中的一些部件。如以上所解釋的，可能希望使來自電源301和310中的每一個的電流波形輸出同步。這樣，同步信號303可以被利用來確保這些電源的操作是同步的，這將在以下進(jìn)行進(jìn)一步描述。
[0031]熱絲電源310包括一個逆變器功率部分311，該逆變器功率部分接收輸入功率(其可以是AC或DC)并且將該輸入功率轉(zhuǎn)換成用于加熱焊絲140的輸出功率，這樣使得該焊絲可以沉積到工件W上的熔池中。逆變器功率部分311可以被構(gòu)造成可用于焊接、切割的任何已知的逆變器型電源、或熱絲電源。該電源也包含預(yù)設(shè)加熱電壓電路313，該預(yù)設(shè)加熱電壓電路利用與該工藝相關(guān)的輸入數(shù)據(jù)來為電源310的輸出信號設(shè)置一個預(yù)設(shè)加熱電壓，這樣使得焊絲140維持在一個所希望的溫度，這樣使得該焊絲適當(dāng)?shù)爻练e到工件W上。例如，預(yù)設(shè)加熱電壓電路313可以利用設(shè)置(諸如焊絲尺寸、焊絲類型和焊絲送進(jìn)速度)來設(shè)置有待在該工藝過程中維持的該預(yù)設(shè)加熱電壓。在操作過程中，該輸出加熱信號被維持，這樣使得該輸出信號的平均電壓在一個預(yù)先確定的持續(xù)時間段或預(yù)先確定數(shù)目的循環(huán)上被維持在該預(yù)設(shè)加熱電壓電平處。在一些實施例中，該預(yù)設(shè)加熱電壓電平在2至9伏特范圍內(nèi)。此外，在本發(fā)明的示例性實施例中，焊絲140的焊絲送進(jìn)速度可影響該最佳預(yù)設(shè)加熱電壓電平，這樣使得當(dāng)該焊絲送進(jìn)速度較低(處于或低于200in/min)時，該預(yù)設(shè)加熱電壓電平在2至4伏特范圍內(nèi)，然而在該焊絲送進(jìn)速度較高(高于200in/min)時，該預(yù)設(shè)加熱電壓電平在5至9伏特范圍內(nèi)。此外，在一些示例性實施例中，當(dāng)電流較低(處于或低于150amp)時，該預(yù)設(shè)加熱電壓電平在2至4伏特范圍內(nèi)，然而在該電流較高(高于150amp)時，該預(yù)設(shè)加熱電壓電平在5至9伏特范圍內(nèi)。因此，在操作過程中，電源310將焊絲140與工件W之間的平均電壓維持在該預(yù)設(shè)加熱電壓電平處以用于給定操作。在其他示例性實施例中，該預(yù)設(shè)加熱電壓電路313可以設(shè)置一個平均電壓范圍，其中該平均電壓被維持在該預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。通過將所檢測的平均電壓維持在該預(yù)設(shè)加熱電壓電平處或該預(yù)設(shè)加熱電壓范圍內(nèi)，電源310如所希望的提供加熱絲140的加熱信號，但避免產(chǎn)生電弧。在本發(fā)明的示例性實施例中，在一個預(yù)先確定的時間段內(nèi)測量平均電壓，這樣使得在該工藝過程中確定移動平均。該電源利用時間平均濾波器電路315，該時間平均濾波器電路通過感測引線317和319來感測輸出電壓，并且進(jìn)行以上所描述的電壓取平均值計算。如圖3所示，隨后將所確定的平均電壓與預(yù)設(shè)加熱電壓進(jìn)行比較。
[0032]當(dāng)然，在其他示例性實施例中，電源310可以使用電流預(yù)設(shè)閾值和/或功率預(yù)設(shè)閾值來控制該電源的輸出信號。此類系統(tǒng)的操作將類似于以上所描述的基于電壓的控制。[0033 ] 電源310也包含一個電弧檢測閾值電路321，該電弧檢測閾值電路比較通過感測弓I線319和317的檢測到的輸出電壓，并且將該檢測到的輸出電壓與電弧檢測電壓電平進(jìn)行比較，以便確定電弧放電事件已經(jīng)還是將在焊絲140與工件W之間發(fā)生。如果該檢測到的電壓超過該電弧檢測電壓電平，電路321向逆變器功率部分311(或控制器裝置)輸出一個信號，該信號導(dǎo)致功率部分311關(guān)閉輸出功率以便區(qū)別或抑制該電弧、或以其他方式防止其產(chǎn)生。在一些示例性實施例中，該電弧檢測電壓電平在10至20伏特范圍內(nèi)。在其他示例性實施例中，該電弧檢測電壓電平在12至19伏特范圍內(nèi)。在其他示例性實施例中，基于該預(yù)設(shè)加熱電壓電平和/或該焊絲送進(jìn)速度來確定該電弧檢測電壓電平。例如，在一些示例性實施例中，該電弧檢測電壓電平在該預(yù)設(shè)加熱電壓電平的2至5倍范圍內(nèi)。在其他示例性實施例中，用于所使用的任何保護(hù)氣體的陽極電壓電平和陰極電壓電平可能影響該預(yù)設(shè)加熱電壓電平。在一些示例性應(yīng)用中，該電弧檢測電壓將在7至10伏特范圍內(nèi)，而在其他實施例中它將在14至19伏特范圍內(nèi)。在本發(fā)明的示例性實施例中，該電弧檢測電壓將在5至8伏特范圍內(nèi)，高于該預(yù)設(shè)加熱電壓電平。
[0034]電源310也包括標(biāo)稱脈沖波形電路323，該標(biāo)稱脈沖波形電路生成將由逆變器功率部分311使用，以便將所希望的加熱波形輸出到焊絲140和工件W的波形。如圖所示，標(biāo)稱脈沖波形電路323經(jīng)由同步信號303聯(lián)接到弧焊電源301，這樣使得來自每個對應(yīng)電源的輸出波形如在此所述的是同步的。
[0035]如圖所示，標(biāo)稱脈沖波形電路323使其輸出信號與弧焊電源301同步，并且將所生成的加熱波形輸出到乘法器，該乘法器如圖所示也從比較器327接收誤差信號。該誤差信號允許調(diào)整到逆變器功率部分311的輸出命令信號，以便如以上所描述的維持所希望的平均電壓。
[0036]應(yīng)當(dāng)注意這些以上描述的電路和基本功能性類似于在焊接和切割電源中利用的電路和基本功能性，并且因此這些電路的詳細(xì)構(gòu)造不需要在此詳細(xì)描述。此外，也應(yīng)當(dāng)指出一些或所有的以上功能性可以經(jīng)由電源310內(nèi)的單個控制器來完成。
[0037]如在本申請要求其優(yōu)先權(quán)的美國專利申請中最終討論的，這些專利申請通過引用完全結(jié)合在此好像這些披露整體包括在此，當(dāng)使用熱絲接合方和熔覆方法時，由于焊絲140通常與熔池維持恒定接觸，所希望的是防止在焊絲140與熔池之間產(chǎn)生電弧。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在一些熱絲應(yīng)用中，可能希望使離散電弧放電事件在熱絲工藝過程中發(fā)生，以便如所希望的向該工藝和熔池添加熱量。這在涂覆至少一個工件的接合或熔覆應(yīng)用(例如鍍鋅鋼)中是特別真實的。這在以下將參考圖4來進(jìn)一步解釋。
[0038]圖4描繪了用于如在此描述的熱絲工藝的示例性電壓波形和電流波形。如圖所示，電流波形500包括具有一個峰值電流電平503的多個加熱脈沖501。該峰值電流電平可以在200至700安培范圍內(nèi)，并且峰值電流電平503被選擇以便在該工藝過程中提供所希望的焊絲140的加熱和熔化。類似地，電壓波形400示出具有一個峰值電壓403的多個電壓脈沖401。然而，還示出的是電弧事件，其中在焊絲140與該熔池之間短暫地生成電弧。在該電弧事件過程中，焊絲140損失與熔池的接觸，從而導(dǎo)致電壓尖峰達(dá)到電弧電平405。那時，熱絲電源檢測到電弧事件已經(jīng)發(fā)生，并且關(guān)閉電流以便熄滅或抑制電弧507。在本發(fā)明的示例性實施例中，該電弧存在持續(xù)350至1000微秒范圍內(nèi)的時間。在其他示例性實施例中，該電弧存在持續(xù)500至800微秒范圍內(nèi)的時間。在該電弧的此類相對短的持續(xù)時間的情況下，可以向熔池添加熱量而不會在熔池中導(dǎo)致由該電弧引起的過度湍流。該電源可以使用不同的控制方法來檢測電弧放電事件。在本發(fā)明的示例性實施例中，該電源設(shè)置一個閾值，這樣使得當(dāng)超過該閾值時，該電源確定電弧事件已經(jīng)發(fā)生。如先前解釋的，在一些示例性實施例中，該電弧檢測電壓電平在10至20伏特范圍內(nèi)。在其他示例性實施例中，該電弧檢測電壓電平在12至19伏特范圍內(nèi)。在其他示例性實施例中，基于該預(yù)設(shè)加熱電壓電平和/或該焊絲送進(jìn)速度來確定該電弧檢測電壓電平。
[0039]在產(chǎn)生電弧之后，焊絲140不再與熔池接觸，并且焊絲140與熔池之間存在間隙。在該電源關(guān)閉加熱電流(507)之后，該電源隨后向焊絲140提供具有峰值電平409的開路電壓(0CV)407，這樣使得該電源能夠再次檢測焊絲140與熔池之間的接觸，因為焊絲140仍然在熔池處被焊絲送進(jìn)器送進(jìn)。在本發(fā)明的示例性實施例中，該OCV在10至25伏特范圍內(nèi)。在其他示例性實施例中，該OCV在17至22伏特范圍內(nèi)。針對該操作所選擇的OCV可能基于多個參數(shù)，包括但不限于焊絲類型和焊絲直徑。當(dāng)焊絲140與熔池(在410處)進(jìn)行接觸時，該電源(使用任何已知的接觸感測控制方法)檢測該接觸并且關(guān)閉OCV以及開始向焊絲140提供加熱電流。如圖4所示，該電流可能在之后接觸的峰值電平509處達(dá)到峰值，并且隨后維持在引入電流511電平處。
[0040]引入電流509是一個相對低的電流電平(與脈沖峰值電平相比較)，并且用于允許焊絲140再接入熔池持續(xù)一個預(yù)先確定的距離，以及允許脈沖同步(以下進(jìn)一步討論的)。該引入電流被維持持續(xù)一個持續(xù)時間TLI(這也將在以下進(jìn)一步解釋)。該引入電流被電源設(shè)置，并且是基于多個因素選擇的電流電平，這些因素包括以下各項中的任一個或所有:焊絲送進(jìn)速度、焊絲類型、焊絲直徑、熱絲脈沖頻率、以及熱絲脈沖峰值503電流電平，并且該引入電流可以是該峰值電流電平的約1/10。通常，引入電流511與峰值503電平相比較是低的。在示例性實施例中，該脈沖峰值電流與引入電流比在10:1至5:1的范圍內(nèi)。在示例性實施例中，該引入電流在25至100安培范圍內(nèi)，并且在其他實施例中，該引入電流在40至80安培范圍內(nèi)。在其他示例性實施例中，該引入可以通過使用功率電平來設(shè)置，如與使用電流電平設(shè)置相反。在此類實施例中，該引入功率電平可以在100至1500瓦特范圍內(nèi)。在附加的示例性實施例中，引入電流509具有一個電流電平，該電流電平小于波形的熱絲部分的平均電流電平，例如，如圖4所示，小于電弧事件之間的加熱脈沖501 ’的平均電流。在示例性實施方案中，引入電流509的峰值電流和平均電流小于波形500的平均電流以及在電弧事件之間的熱絲電流脈沖501 ’的平均電流。
[0041 ]如以上所解釋的，該引入電流被維持持續(xù)一個持續(xù)時間TLI，從而允許焊絲140重新穿透熔池到一個所希望的深度。這樣，至少基于焊絲140的焊絲送進(jìn)速度來確定TLI。在示例性實施例中，引入持續(xù)時間TLI在5至20毫秒范圍內(nèi)，并且停止時間507在I至7毫秒范圍內(nèi)。在示例性實施例中，停止時間507和TLI的組合時間在6至20毫秒范圍內(nèi)。然而，如先前相對于圖2和圖3所解釋的，在一些示例性實施例中，該熱絲工藝與在同一熔池中操作的弧焊工藝(諸如GMAW)聯(lián)接。在此類實施例中，該引入持續(xù)時間TLI是基于焊絲140的焊絲送進(jìn)速度、以及基于來自與該熱絲工藝一起工作的弧焊工藝的電流脈沖的啟動的持續(xù)時間。當(dāng)使用與弧焊工藝聯(lián)接的熱絲工藝時，所希望的是使來自每個相應(yīng)工藝的電流脈沖同步。因此，在此類實施例中，該熱絲電源在持續(xù)時間TLI之后，只有(I)在一個預(yù)先確定的引入延遲期滿之后允許焊絲140適當(dāng)穿透該熔池，并且(2)允許與該弧焊波形中的下一個弧焊脈沖的啟動一致時才啟動第一脈沖501’。通過使持續(xù)時間TLI延長來滿足這些條件，確保焊絲140已經(jīng)適當(dāng)穿透該熔池以便再次開始熱絲脈沖501，并且該熱絲電流波形是與同時使用的弧焊工藝適當(dāng)同步的。這在圖5中被圖形表示，其中該焊接工藝?yán)门c使用電流波形600的脈沖弧焊工藝(例如GMAW)同步的熱絲電流波形500。如在本申請開始處參考的以及在此完全結(jié)合的優(yōu)先權(quán)申請，以及標(biāo)題為使用組合填充焊絲送進(jìn)和高強(qiáng)度能量源用于焊接的方法和系統(tǒng)(METHOD AND SYSTEM TO USE COMBINAT1N FILLER WIRE FEED AND HIGH INTENSITYENERGY SOURCE FOR WELDING)的美國專利申請(該申請也通過引用以其全文完全結(jié)合在此，并且與此同時提交)中描述的，在一些應(yīng)用中所希望的是使這些對應(yīng)波形的脈沖同步。因此，在本發(fā)明的示例性實施例中，如圖5所示，該引入持續(xù)時間TLI是穿透持續(xù)時間Tp和同步持續(xù)時間Ts的組合。穿透持續(xù)時間Tp由該熱絲電源至少基于焊絲140的焊絲送進(jìn)速度來確定，以便確保焊絲140適當(dāng)穿透到熔池中，并且同步持續(xù)時間Ts是在穿透持續(xù)時間Tp的期滿與下一個弧焊脈沖601’的啟動之間的時間。也就是說，典型地，該引入持續(xù)時間TLI(或引入時段)的最大持續(xù)時間將是穿透持續(xù)時間Tp(或穿透時段)和弧焊波形的背景部分603的持續(xù)時間。這確保焊絲140完全穿透到熔池中，并且該兩個對應(yīng)波形將是同步的。因此，在本發(fā)明的示例性實施例的操作過程中，該熱絲電源將確定穿透持續(xù)時間Tp，并且將引入電流511保持在該引入電流電平持續(xù)該持續(xù)時間Tp，并且在該穿透時段Tp的期滿之后，該熱絲電源等待來自控制器或該弧焊電源的脈沖啟動信號。基于該啟動或同步信號，該熱絲電源在引入電流511之后啟動第一脈沖501’以便與弧焊工藝中的下一個脈沖601’一致。
[0042]應(yīng)當(dāng)注意，圖5示出了不具有相移的兩個對應(yīng)波形500/600，這樣使得對應(yīng)脈沖501 ’和601’將同時啟動。然而，其他示例性實施例可以利用電流波形500與600之間的相移，這樣使得對應(yīng)波形的脈沖是同步的，但彼此相移。在此類實施例中，該引入持續(xù)時間TLI將具有這一長度，以便確保脈沖501’和601 ’在相對彼此的合適時間、以合適相移以及在該穿透持續(xù)時間期滿之后啟動。在一些示例性實施例中，該焊絲被允許以一個距離穿透該熔池，該距離與該焊絲直徑幾乎相同。
[0043]如先前所討論的，電弧事件用于在該工藝中輸入附加熱量。為完成這一目的，該熱絲電源170被控制，這樣使得這些電弧放電事件以I至20Hz范圍內(nèi)的頻率發(fā)生。在其他示例性實施例中，這些電弧放電事件以I至1Hz范圍內(nèi)的頻率發(fā)生。通過以一個規(guī)則間隔維持該電弧放電頻率，附加熱量可以按照一種受控方式來添加到該工藝，而不會使該熱絲、或弧焊不穩(wěn)定。在一些示例性實施例中，這些電弧放電事件的頻率可以被調(diào)整以便改變在該工藝過程中的熱量輸入。也就是說，在一個工藝的第一部分過程中，可能希望使用3Hz的電弧放電頻率，而在該工藝的另一個部分中，可能希望具有1Hz的電弧放電頻率。此電源170可以控制波形400/500以實現(xiàn)針對一個工藝的不同部分的所期望的電弧放電事件頻率，并且因此提供對該工藝的總熱量輸入的更大控制。
[0044]圖4也示出了在電弧放電事件之間的多個(η)電流脈沖和電壓脈沖。如圖所示，電流脈沖501/501’具有一個相對恒定的峰值電流電平503。也就是說，這些脈沖的峰值電流電平是幾乎相同的，但可能由于焊接操作的現(xiàn)實情況而相異，并且針對每個脈沖可能不是完全相同的。然而，如圖所示，這些相應(yīng)電壓脈沖具有從第一電壓脈沖401’(在電弧放電事件之后)到最后完整的電壓脈沖401”(在電弧放電事件之后)的一個大體增加的峰值電壓403。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在一些示例性實施例中，所希望的是允許脈沖401’至401”的峰值電壓電平在電弧放電事件之間逐漸增加。典型地，此電壓增加至少部分地由于在焊絲140中以及在工藝中的熱量增加而發(fā)生，從而影響焊絲140的總電阻，并且因此導(dǎo)致該電壓在電弧放電事件之間的多個電壓脈沖上從第一峰值電壓電平大體上升到第二、更高的、峰值電壓電平。應(yīng)當(dāng)注意，盡管圖4描繪了脈沖401’至401”的從脈沖到脈沖增加的峰值電壓電平(其可適用于一些實施例)，一些示例性實施例不限于此。也就是說，在一些示例性實施例中，盡管在這些脈沖上存在大體的電壓增加(如傾斜413所示)，并非每個以下脈沖的峰值電壓將比其前置脈沖更高。在一些實施例中，以下脈沖可以具有相同的或甚至略微低于其緊挨的前置脈沖的峰值電壓。然而，最后脈沖401”將具有高于第一脈沖401’的峰值電壓。此外，盡管所示出的實施例示出峰值電壓的大體線性增加(傾斜413)，其他實施例不限于線性電壓增加。在示例性實施例中，從第一電壓脈沖401’到最后電壓脈沖401”的該峰值電壓差在2至8伏特范圍內(nèi)。在其他示例性實施例中，該差在3至6伏特范圍內(nèi)。此外，在本發(fā)明的示例性實施例中，電弧放電事件之間的電壓脈沖401’-401”的數(shù)目在8至22的范圍內(nèi)。在其他示例性實施例中，電弧放電事件之間的電壓脈沖的數(shù)目在12至18的范圍內(nèi)。
[0045]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖6，描繪了另一個電流波形600。然而，此波形600描繪了熱絲焊接工藝的開始部分。如先前描述的，在熱絲焊接過程中，耗材在無電弧的情況下沉積到熔池中，同時向該耗材提供加熱電流，該加熱電流導(dǎo)致該耗材在該熔池中熔化。然而，對于此工藝而言，在該熱絲工藝可以開始之前需要一個熔融池。在一些情況下，該熔池可以通過激光、來自另一個工藝或某個其他熱源的電弧來產(chǎn)生。然而，在本發(fā)明的示例性實施例中，在該工藝開始時以短脈沖焊接例程使用熱絲耗材來產(chǎn)生該熔池以便建立該工藝。在形成該熔池之后，隨后可以進(jìn)行該熱絲工藝。例如，該熱絲可以如相對于圖4在此描述的、以上描述的進(jìn)行。
[0046]如圖6所示，波形600具有一個開始例程部分SR和一個熱絲部分HWR?？梢灶愃迫魏我阎幕『覆僮鲉娱_始例程部分SR。例如，開始例程部分SR可以開始類似的已知GMAW型焊接工藝，以便啟動該耗材與該工件之間的電弧。在產(chǎn)生電弧之后，具有多個電流脈沖601的一個簡短脈沖焊接工藝開始，其中這些脈沖具有峰值電流電平605和脈沖601之間的背景電平603。這類似于已知的GMAW型脈沖焊接工藝。此脈沖焊接工藝用于在該工件上產(chǎn)生熔池，并且被維持持續(xù)一個設(shè)置的持續(xù)時間以便確保該熔池被充分地產(chǎn)生。一旦產(chǎn)生該熔池，波形600從弧焊開始工藝SR改變到熱絲部分HWR。在開始例程部分SR結(jié)束時，電流減少或關(guān)閉(610)以便熄滅該耗材與該熔池之間的電弧。如先前相對于圖4和5所描述的，該耗材隨后被推進(jìn)，這樣使得它與該熔池進(jìn)行接觸并且熱絲例程HWR隨后被啟動。如圖所示，在波形600中，該熱絲例程具有多個加熱脈沖611，具有峰值電平611和背景電平613，該背景電平在一些實施例中可以是O安培。應(yīng)當(dāng)指出開始例程部分SR與熱絲部分HffR之間的轉(zhuǎn)變可以如以上相對于圖4解釋的。
[0047]如以上解釋的，該開始例程部分是相對短的。在本發(fā)明的示例性實施例中，該開始?xì)v程的持續(xù)時間在0.01至5秒的長度范圍內(nèi)，其中該持續(xù)時間的開始是該電弧被啟動的時間，并且該持續(xù)時間的結(jié)束是該電弧被熄滅的時間(例如，在610處)。在其他示例性實施例中，該開始例程在0.01至I秒的范圍內(nèi)。在其他示例性實施例中，該開始例程的持續(xù)時間在0.1至0.5秒的范圍內(nèi)。在其他示例性實施例中，該電源將僅從開始例程SR的背景部分603轉(zhuǎn)變到熱絲例程HWR。例如，如果該預(yù)先確定的持續(xù)時間時段在電弧脈沖601的中間結(jié)束，該電源不僅僅熄滅在該點處的電弧，而且等待直到脈沖601完成并且該焊接電流在轉(zhuǎn)變之前到達(dá)背景部分603。應(yīng)當(dāng)注意在一些示例性實施例中，該耗材在開始例程過程中的焊絲送進(jìn)速度可以比在該焊接工藝的熱絲部分過程中的焊絲送進(jìn)速度更慢。此外，該開始例程可以在該開始例程過程中使用已知的弧焊工藝，諸如短電弧、STT、焊絲縮回或其他低熱量輸入弧焊工藝。在此類實施例中，將在起動過程中避免過多的熱量輸入。
[0048]在其他示例性實施例中，代替使用時間持續(xù)，該電源使用預(yù)先確定數(shù)目的電弧脈沖601用于開始例程SR，并且在達(dá)到預(yù)先確定數(shù)目的脈沖之后熄滅該電弧。例如，在示例性實施例中，用于該開始例程的脈沖數(shù)目是η個脈沖，這樣使得當(dāng)達(dá)至Ijn個脈沖時，該電源轉(zhuǎn)變到熱絲例程HWR。在示例性實施例中，該脈沖數(shù)目η可以在I至1000個脈沖的范圍內(nèi)。在其他示例性實施例中，該脈沖數(shù)目η在5至250個脈沖的范圍內(nèi)，并且在其他實施例中，該脈沖數(shù)目可以在5至100個脈沖的范圍內(nèi)。在附加的示例性實施例中，該電源可以使用持續(xù)時間和脈沖數(shù)目的組合來確定開始例程SR的長度。也就是說，在此類實施例中，該電源使用設(shè)置的持續(xù)時間和脈沖數(shù)目η兩者，其中到熱絲例程HffR的轉(zhuǎn)變不發(fā)生直到已經(jīng)達(dá)到持續(xù)時間和脈沖數(shù)目中的每一個，無論首先達(dá)到哪一個。
[0049]在示例性實施例中，該電源控制器基于用戶輸入信息來預(yù)先確定開始例程部分SR中的持續(xù)時間和/或脈沖數(shù)目，該用戶輸入信息可以包括:焊絲送進(jìn)速度、耗材尺寸、耗材類型、焊接金屬類型等。在其他示例性實施例中，其他因素可以用于確定該開始例程的持續(xù)時間和/或脈沖數(shù)目，這些因素包括該熱絲工藝是否與激光、GMAW工藝或SAW工藝聯(lián)接。在其他實施例中，焊接/接合應(yīng)用的類型可能影響該開始例程的參數(shù)、或所希望的熔池尺寸。例如，該熔池尺寸針對高速薄板工藝(通常較小熔池)、重制造工藝(大熔池)、或熔敷工藝(非常大的熔池)可以是不同的。在此類實施例中，基于該用戶輸入信息，該電源控制器使用查找表、狀態(tài)表等，以便為待使用的開始例程SR設(shè)置持續(xù)時間和/或脈沖數(shù)目。將選擇持續(xù)時間和/或脈沖數(shù)目以確保在啟動該熱絲例程之前達(dá)到所希望的熔池尺寸、深度和/或溫度。在其他示例性實施例中，系統(tǒng)可以用于監(jiān)測該熔池和/或工件的熱量、和/或監(jiān)測該熔池的尺寸/形狀。
[0050]如在此解釋的，從該開始例程SR到該熱絲例程HWR的轉(zhuǎn)變可以如相對于圖4和圖5所描述的執(zhí)行。然而，在其他示例性實施例中，該轉(zhuǎn)變可能在該開始例程過程中所生成的短路狀態(tài)過程中發(fā)生。例如，如果該開始例程正使用一個使耗材與熔池/工件短路的工藝，該電源的控制器可以在短路狀態(tài)過程中導(dǎo)致轉(zhuǎn)變到熱絲。例如，當(dāng)該開始例程SR正使用諸如STT、短路焊接或短弧焊的開始例程時，這是可以實現(xiàn)的。在此類實施例中，該控制器監(jiān)測該開始例程SR的持續(xù)時間，并且當(dāng)所希望的持續(xù)時間和/或脈沖數(shù)目已經(jīng)完成時，該電源在下一個短路事件處轉(zhuǎn)變到熱絲。
[0051]在其他示例性實施例中，該開始例程可以使用脈沖焊接操作，如圖6所示。然而，在預(yù)先確定的持續(xù)時間/脈沖數(shù)目之后，脈沖601的電流減少以便縮短弧長直到短路事件發(fā)生。當(dāng)短路發(fā)生時，到熱絲工藝的轉(zhuǎn)變發(fā)生。通過使用短路事件，不需要人工地為轉(zhuǎn)變而抑制電弧。
[0052 ]在附加的實施例中，該開始例程SR的持續(xù)時間可以通過監(jiān)測該開始例程SR過程中的熱量輸入來確定。例如，在此類實施例中，該控制器/電源將使用以上描述的用戶輸入數(shù)據(jù)來確定該開始例程SR所需的所希望的/預(yù)先確定的熱量輸入量。也就是說，該電源的控制器可以設(shè)置一個預(yù)先確定的熱量輸入量，并且當(dāng)達(dá)到該熱量輸入閾值時，該電源可以從該電弧例程轉(zhuǎn)變到該熱絲例程，如在此描述的。在示例性實施例中，該熱量輸入閾值可以在
0.01至1K j的范圍內(nèi)。在其他示例性實施例中，該熱量輸入閾值可以在0.0I至IK j的范圍內(nèi)。
[0053]圖7描繪了具有如相對于圖3描述的熱絲電源310的系統(tǒng)700的附加實施例。在此實施例中，電源310被聯(lián)接到控制器710上(該控制器可以位于該電源的內(nèi)部)，該控制器被聯(lián)接到監(jiān)測該工藝的傳感器裝置701上。傳感器裝置701可以是監(jiān)測所希望的熔池/工件參數(shù)的任何類型的傳感器裝置。例如，該傳感器裝置可以是一個熱傳感器，該熱傳感器監(jiān)測該熔池和/或工件的溫度，并且來自該傳感器裝置的反饋被電源310使用以便控制該熱絲工藝的開始和/或該熱絲工藝自身。例如，如相對于圖4解釋的，電弧放電頻率可以與該熱絲工藝聯(lián)接以便控制到該工件/熔池中的熱量。在此類實施例中，來自傳感器710的反饋由該電源使用，以便確定來自電源310的針對熱絲電流輸出的合適的電弧放電頻率。在其他實施例中，傳感器701可以是一個光學(xué)傳感器，該光學(xué)傳感器監(jiān)測該工件上的熔池的產(chǎn)生和尺寸，并且控制器710使用來自此傳感器的反饋以便控制該熱絲波形的輸出和/或電弧放電頻率。其他傳感器也可以被使用，或傳感器組合可以用于輔助控制電源310。
[0054]圖8A和圖SB描繪了可以與本發(fā)明的示例性實施例一起使用的附加的示例性波形。如以上所描述的，電流波形800和800’類似于圖4所討論的波形。確切地，波形800和800’是組合熱絲波形和電弧放電波形。然而，在波形800和800’中，這些熱絲部分之間存在多于一個的弧焊脈沖。此類實施例可以用于如所希望的進(jìn)一步控制到工件中的熱量輸入和/或優(yōu)化焊接參數(shù)。此外，此類實施例可以在涂覆工件(諸如鍍鋅工件)上使用，并且實現(xiàn)所希望的性能而沒有典型地與弧焊涂覆材料一起到來的多孔。
[0055]圖8A描繪了具有弧焊部分801和熱絲部分的電流波形800?；『覆糠?01可以是任何已知的脈沖焊接工藝，諸如GMAW型脈沖焊接工藝?；『覆糠?01包括由背景電流分開的多個脈沖802。因為GMAW型脈沖焊接波形是已知的，它們不需要在此詳細(xì)討論。在一個時間段，或已經(jīng)產(chǎn)生所希望數(shù)目的脈沖801之后，該弧焊部分在點804處結(jié)束，在該點處電流減少或關(guān)閉，這樣使得電弧被熄滅并且波形800轉(zhuǎn)變到熱絲階段820。應(yīng)當(dāng)注意該弧焊階段與該熱絲階段之間的轉(zhuǎn)變部分可以使用引入電流等相對于圖4中的波形來描述。在所示出的實施例中，在弧焊電流結(jié)束(804)之后，在耗材朝向熔池前進(jìn)時，該電流在時間805過程中被設(shè)置成非常低的或關(guān)閉(這是因為該焊絲未如先前解釋的由于弧焊操作而與熔池接觸)。在停止時間805過程中，OCV可以被施加到該耗材以便檢測與該熔池的接觸。如先前解釋的，當(dāng)檢測到接觸時，加熱電流被施加(在點807處)到引入電平809(其可以是引入電流電平)并且被維持持續(xù)一個引入時間(如先前描述的)。在該引入之后，該電流增加到加熱電流電平810，該加熱電流電平被維持來加熱該耗材，以便確保該耗材在熔池內(nèi)熔化而不會產(chǎn)生電弧。如同先前討論(例如，圖4和圖5實施例)的一樣，該電源在熱絲部分820過程中使用滅弧控制方案，以便確保在該耗材與該工件之間未產(chǎn)生電弧，但該耗材適當(dāng)?shù)爻练e到熔池中。
[0056]不同于圖4所示的熱絲脈沖，在圖8A中，該熱絲電流被示出為在電平810處的恒定電流。在此類實施例中，加熱電流電平810被維持在一個所希望的熔化電平處。然而，在其他示例性實施例中，圖8A(以及圖SB和圖9)中的波形的熱絲部分820可以用脈沖熱絲波形(類似于圖4所示的脈沖熱絲波形)替代。也就是說，在此類實施例中，弧焊部分810可以與用于熱絲部分820的恒定電流或脈沖熱絲波形聯(lián)接。在一個時間段之后，熱絲部分820停止并且轉(zhuǎn)變回弧焊部分810以便執(zhí)行該弧焊操作。如圖8A所示，該熱絲電流下降到一個降低的電平，該降低的電平可以是O安培、持續(xù)一個時間段811，并且隨后該弧焊電流被啟動到電平813以及隨后弧焊脈沖802再次開始。當(dāng)然，可以啟動任何已知的弧焊操作，諸如脈沖焊接、STT型焊接、短弧焊等。本發(fā)明的實施例在此方面不受限制。此外，在該波形的熱絲部分820之后啟動的弧焊操作不需要與在該熱絲部分之前使用的弧焊操作相同。例如，可以在波形的熱絲部分之前使用脈沖焊接弧焊波形，并且可以在熱絲部分820之后使用STT型波形。從熱絲焊接部分820到弧焊部分810的轉(zhuǎn)變可以經(jīng)由已知的弧焊啟動程序來執(zhí)行。在一些示例性實施例中，該焊絲送進(jìn)器可以使該耗材減速或抽出該耗材，以便在電弧啟動之前在該耗材與該熔池之間產(chǎn)生間隙。在其他示例性實施例中，轉(zhuǎn)變例程可以由該電源啟動，以便夾斷該耗材的端部并且隨后啟動電弧。本發(fā)明的實施例在此方面不受限制。如先前解釋的，在示例性實施例中，STT、短弧或焊絲縮回工藝可以用于電弧階段，并且到熱絲的轉(zhuǎn)變僅在短路狀態(tài)過程中發(fā)生。
[0057]通過利用具有相同耗材的熱絲工藝和弧焊工藝兩者，本發(fā)明的實施例允許增強(qiáng)對焊接工藝中的熱量輸入的控制，并且可以改善某些焊接操作的焊接性能。例如，本發(fā)明的示例性實施例可以使用類似于圖7所示的系統(tǒng)的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中監(jiān)測工件溫度，并且基于檢測到的溫度，控制器710控制波形800以便使用所希望的轉(zhuǎn)移工藝。也就是說，控制器710可以控制弧焊與熱絲焊接的比率，以便控制到焊接中的熱量輸入。例如，如果確定需要附加熱量，該控制可以在焊接波形中增加弧焊與熱絲焊接的比率。另外，如果熱量輸入過高，控制器710可以控制電源310，以便減少波形800的弧焊量并且增加熱絲焊接量。
[0058]在示例性實施例中，該熱絲工藝與弧焊工藝的比率被優(yōu)化，以便獲得所希望的熱量輸入和沉積速率。例如，在示例性實施例中，熱絲工藝與弧焊工藝的比率在50/50至0/100的范圍內(nèi)，其中該比率使用工藝持續(xù)時間。50/50比率意味著50%的焊接時間處于熱絲模式，而另外50%的時間處于弧焊模式。應(yīng)當(dāng)注意，應(yīng)當(dāng)選擇確保適當(dāng)?shù)娜鄢匦纬刹⑶掖_保該耗材在實現(xiàn)熱絲階段過程中的適當(dāng)熔化的比率。也應(yīng)當(dāng)注意，在示例性實施例中，可以在一個給定時間段內(nèi)或基于熱量輸入反饋來調(diào)整該比率以便獲得所希望的熱量輸入。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識至IJ，電流波形處于轉(zhuǎn)變模式的時候可能未必特征化為弧焊或熱絲，因此在此類實施例中，該弧焊工藝的持續(xù)時間被確定為電弧存在的持續(xù)時間，如與熱絲工藝持續(xù)時間(當(dāng)沒有電弧存在時)相比。在不偏離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，其他示例性實施例可以使用在該工藝的熱絲部分與弧焊部分之間的其他比率關(guān)系。例如，在其他示例性實施例中，可以使用脈沖計數(shù)的比率，其中該比率表示熱絲脈沖與弧焊脈沖的數(shù)目的比率。在其他示例性實施例中，每個對應(yīng)部分(熱絲對弧焊)的脈沖計數(shù)的比率被維持，而這些對應(yīng)脈沖的頻率被調(diào)整。在此類實施例中，因為該對應(yīng)脈沖頻率改變，每個對應(yīng)工藝的總持續(xù)時間被調(diào)整。例如，在圖8A中，弧焊脈沖802的頻率可以被調(diào)整(例如，增加)，而熱絲階段820的持續(xù)時間可以被維持，這樣使得熱絲階段820的總頻率或出現(xiàn)將更頻繁地發(fā)生-弧焊部分801在持續(xù)時間上將是更短的。也可以使用其他控制方法。
[0059]在其他示例性實施例中，并不使用傳感器710，控制器710使用波形800的功率積分以確定到焊接中的總熱量輸入，并且基于所確定的熱量輸入，控制器710控制波形800的電弧與熱絲比率。在示例性實施例中，控制器710使用用戶輸入信息來確定用于操作的所希望的熱量輸入，并且維持此所希望的熱量輸入。例如，在一些實施例中，控制器710確定用于給定操作的所希望的移動平均熱量和/或功率輸入，并且控制該電源以便提供該移動平均。熱量和/或功率輸入的移動平均可以是用戶輸入或用戶設(shè)置，但也可以由該控制器基于用戶輸入數(shù)據(jù)確定。例如，用戶可以輸入以下各項中的任一個或組合:工件材料、耗材信息、焊絲送進(jìn)速度、工件厚度、焊縫尺寸、焊縫位置、應(yīng)用類型(熔敷、高行進(jìn)速度接合，重沉積接合等)、間隙尺寸以及任何增長參數(shù)或要求?；诖诵畔?，控制器710確定可以是移動平均閾值的熱量和/或功率輸入閾值，并且控制該電源以便輸出實現(xiàn)所希望的設(shè)置的輸出熱量和/或功率的波形800。當(dāng)然，控制器710也可以監(jiān)測實際熱量(經(jīng)由傳感器701等)和/或計算所提供的實際功率和熱量，并且根據(jù)需要調(diào)整波形800以便維持所希望的熱量和/或功率輸出?？刂破?10可以使用許多不同的控制方法。例如，在一些示例性實施例中，控制器710可以在一個設(shè)定的持續(xù)時間或距離內(nèi)使用所希望的熱量和/或功率輸入的移動平均，并且調(diào)整波形800以便維持所希望的移動平均。在此類實施例中，焦耳/秒或焦耳/英寸比率可以用于該控制，其中該預(yù)先確定的移動平均是基于用戶輸入信息設(shè)置的。
[0060]例如，在一些示例性實施例中，電弧工藝焦耳與熱絲工藝焦耳的偏移比率可以用于系統(tǒng)控制。例如，該系統(tǒng)控制器可以確定的是，所希望的或預(yù)先確定的熱量輸入比率可以被確定，并且該工藝被控制以便在一個給定時間內(nèi)或一個移動平均上實現(xiàn)所希望的比率。在示例性實施例中，所確定的電弧工藝焦耳與熱絲工藝焦耳比率在2.5:1至10:1的范圍內(nèi)。在其他示例性實施例中，該比率在3:1至7:1的范圍內(nèi)。
[0061]圖SB描繪了波形800’的另一個示例性實施例，該波形類似于圖8A中的波形800。然而，在此實施例中，波形800，的熱絲部分820，具有負(fù)極性，并且因此總波形800，是AC型波形。應(yīng)當(dāng)注意，在一些焊接操作過程中，相同電流極性的恒定使用可以使工件和/或工件夾具磁化。這由于多個原因可能是不希望的。然而，通過如圖8所示的使電流交替，磁性增長可以被減輕和最小化。通常，波形800’以類似于以上關(guān)于圖8A討論的方式的方式來生成和控制，但如圖所示熱絲部分具有負(fù)極性。與弧焊不同，因為沒有電弧存在，負(fù)極性的使用將對焊接操作的總熱量輸入幾乎沒有影響。事實上，在一些示例性實施例中，該電源可以使用圖8A和圖SB所示的兩個波形的組合。也就是說，電流波形的熱絲部分可以在正極性與負(fù)極性之間交替，并且對于整個焊接工藝不需要相同的極性。AC電流對夾具具有消磁效果，并且AC頻率與此效果相關(guān)。因此，在一些示例性實施例中，該極性被改變以便優(yōu)化該消磁效果。在一些實施例中，連續(xù)的脈沖在極性上交替。此外，該焊接工藝可以使用具有第一極性(例如，正)的多個連續(xù)熱絲部分，之后是具有第二極性(例如，負(fù))的單個(或多個)熱絲部分。該控制器/電源可以根據(jù)需要調(diào)整這些熱絲部分的極性以便實現(xiàn)所希望的性能，同時防止工件/夾具中的磁力增長。此外，不僅可以改變這些熱絲部分的極性，還可以改變波形800/800，的弧焊部分810(的極性)。也就是說，本發(fā)明的實施例也可以針對弧焊部分810采用AC弧焊工藝。此外，其他實施例可以采用負(fù)極性弧焊，同時使用正極性熱絲焊接-與圖SB所示的相反。
[0062]在其他示例性實施例中，控制器710可以被聯(lián)接到磁傳感器上，該磁傳感器檢測工件和/或固持該工件的夾具中的磁場的增長?；趤碜源舜艂鞲衅鞯姆答?，控制器710可以控制該電源來調(diào)整熱絲部分820/820’的極性，以便減輕或控制任何不希望的磁力的增長。
[0063]圖9描繪了波形900的另一個示例性實施例，該波形類似于圖8A所示的波形800。然而，在此實施例中，該電源快速地從該波形的熱絲部分820轉(zhuǎn)變到弧焊部分810。如圖所示，在此實施例中，該熱絲電流減少到轉(zhuǎn)變電平901，該轉(zhuǎn)變電平小于熱絲電流(810)的峰值或弧焊脈沖802的峰值，但高于背景電流803。當(dāng)該電流達(dá)到轉(zhuǎn)變電平901時，該電源從滅弧操作模式切換到傳統(tǒng)的電弧生成操作模式，并且立即產(chǎn)生電弧。此類實施例可以在使用高焊絲送進(jìn)速度時被采用，以便防止耗材在熔池中觸底，同時從熱絲工藝轉(zhuǎn)變到弧焊工藝。在示例性實施例中，該轉(zhuǎn)變電平在100至250安培范圍內(nèi)。在其他示例性實施例中，該轉(zhuǎn)變可以使用一個斜坡電流來最小化在產(chǎn)生電弧過程中的爆炸或飛濺事件的可能性。其他實施例也可以在轉(zhuǎn)變過程中使焊絲縮回或減慢。在其他示例性實施例中，可以使用STT控制方法，在該方法中預(yù)警電路用于減少剛好在產(chǎn)生電弧之前的電流。附加地，其他實施例可以使用獨立于該工藝電流的峰值電流來剛好在產(chǎn)生電弧之后建立熔池與耗材之間的間隙。此外，其他示例性實施例可以在從該弧焊工藝到該熱絲焊接工藝的轉(zhuǎn)變時利用擴(kuò)展的背景電流。擴(kuò)展的背景將促進(jìn)短路事件，并且當(dāng)該短路發(fā)生時，可以啟動到熱絲的轉(zhuǎn)變。
[0064]當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)注意其他的轉(zhuǎn)變波形和控制方法可以用于從波形800/800’/900的熱絲部分820改變到弧焊部分810。
[0065]在本發(fā)明的示例性實施例中，該耗材的焊絲送進(jìn)速度也可以在該工藝過程中得到調(diào)整以便優(yōu)化該工藝。例如，在示例性實施例中，在弧焊階段過程中的焊絲送進(jìn)速度可以比在熱絲工藝過程中的焊絲送進(jìn)速度慢。例如，如果在弧焊階段中使用短弧焊工藝，該焊絲送進(jìn)速度將在從熱絲到弧焊的轉(zhuǎn)變過程中減慢，并且隨后在轉(zhuǎn)變回該熱絲工藝時加速。
[0066]因為本發(fā)明的實施例提供增強(qiáng)的加熱控制，它們可以用于優(yōu)化焊接操作。例如，本發(fā)明的實施例可以用于諸如對接接縫和T接縫的焊接接縫而不需要背襯，尤其在相對薄的工件上。這通常在圖1OA和圖1OB中進(jìn)行描繪。圖1OA描繪了一個對接接縫，其中該焊縫的背側(cè)BS未使用墊板來支撐該焊縫。因為本發(fā)明的實施例已經(jīng)增強(qiáng)了加熱控制，此焊接可能在沒有襯墊以及沒有燒斷該焊縫的背側(cè)BS的焊接熔池的情況下完成。在示例性實施例中，該弧焊工藝可以用于向焊接添加熱量并且提供所希望的穿透，隨后該焊接工藝的熱絲部分可以用于添加材料而不用過度加熱(或甚至冷卻)該工藝，這樣使得熔池將不通過接縫的背側(cè)。這大大地增強(qiáng)焊接操作的生產(chǎn)率。此外，在本發(fā)明的附加實施例中，傳感器701(例如，熱傳感器)可以被定位成使得監(jiān)測焊接接縫的背側(cè)BS，并且來自傳感器701的反饋用于控制電源310的輸出，以便實現(xiàn)所希望的熱量輸入和沉積。也就是說，來自傳感器701的反饋可以用于控制熱絲工藝與弧焊工藝的比率，其為來自該電源的輸出。例如，如果在該焊接焊縫的背側(cè)BS上檢測到不希望的溫度增加，該電源將切換到熱絲以便冷卻該工藝，并且防止該熔池穿透該焊接焊縫的背側(cè)。類似地，本發(fā)明的實施例可以用于焊接類似圖1OB所示的接縫的T接縫而不使用背襯。當(dāng)然，本發(fā)明的實施例不只限于這些接縫類型，但也可以在許多不同接縫類型上使用。
[0067]此外，本發(fā)明的實施例還提供在涂覆工件(諸如鍍鋅的)上的改善焊接。通常已知的是傳統(tǒng)的鍍鋅材料的焊接需要在焊接之前移除涂層和/或非常緩慢地焊接，以便防止焊接接縫變成過度多孔的。然而，本發(fā)明的實施例可以用于接合涂覆/鍍鋅的工件而不具有這些缺點。也就是說，通過使用利用相同耗材的弧焊和熱絲焊接的組合，可以改善的速率來產(chǎn)生焊接接縫，同時最小化該接縫中的多孔。該弧焊工藝可以用于穿透該工件并且使該涂層汽化，而該熱絲工藝可以使總熱量輸入保持較低并且防止任何涂層(例如，鋅)在該焊接的熱影響區(qū)中汽化。在本發(fā)明的示例性實施例中，當(dāng)焊接涂覆工件時，弧焊持續(xù)時間與熱絲持續(xù)時間的比率在70/30至40/60的范圍內(nèi)。在其他實施例中，該比率在60/40至45/55的范圍內(nèi)。因此，本發(fā)明的實施例可以用于在焊接涂層材料時，實現(xiàn)優(yōu)于已知焊接方法的改善性會K。
[0068]與本發(fā)明的實施例一致的系統(tǒng)和方法涉及使用一種熱絲焊接技術(shù)將耗材140沉積到工件115上，該熱絲焊接技術(shù)采用熱絲和弧焊的組合。波形500在該熱絲焊接操作過程中產(chǎn)生電弧事件，以便在焊接工藝中添加/控制熱量。該熱絲焊接工藝可以單獨地使用，與激光120或與其他焊接工藝結(jié)合使用。
[0069]雖然已經(jīng)參照某些實施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解的是，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以做出各種改變并且替換等效物。此外，可以進(jìn)行許多修改以使具體的情況或材料適應(yīng)本發(fā)明的傳授內(nèi)容而不脫離其范圍。因此，本發(fā)明不旨在局限于所披露的具體實施例，而是本發(fā)明將包括落在本申請的范圍內(nèi)的所有實施例。
參考號 100 系統(tǒng) 110 激光束 115 工件 120 激光裝置 125 方向 130 激光電源140填充焊絲
150填充焊絲送進(jìn)器
160導(dǎo)電管
170熱絲電源
180運動控制器
195電流控制器
200系統(tǒng)
211焊接電極
212焊炬
213電源
215焊絲送進(jìn)器
300系統(tǒng)
301焊接電源303同步信號
310熱絲電源
311逆變器功率部分313預(yù)設(shè)加熱電壓電路315時間平均濾波器電路317感測引線
319感測引線
321電弧檢測閾值電路
323標(biāo)稱脈沖波形回路
400電壓波形
401電壓脈沖403峰值電壓405電弧電平
407開路電壓(OCV)
409峰值電平
500電流波形
501加熱脈沖503峰值電流電平507電弧
509引入電流
511引入電流
600電流波形
601弧焊脈沖603背景選項611加熱脈沖
700系統(tǒng)701傳感器裝置
710控制器
800電流波形800’電流波形801
801弧焊形式
802脈沖
804點
805時間
809電平
810加熱電流電平
811時間段813電平820熱絲階段
900波形
901轉(zhuǎn)變電平
【主權(quán)項】
1.一種耗材沉積系統(tǒng)(100)，包括: 一個電源(170)，該電源向待沉積到至少一個工件(I 15)上的熔融池中的一個耗材(140)提供一個電流波形(500)，其特征在于所述電流波形(500)包括: 一個電弧沉積部分，該電弧沉積部分在所述耗材(140)與所述熔池之間產(chǎn)生電??；以及 一個熱絲部分，在該熱絲部分過程中加熱電流被提供到所述耗材(140)，并且在所述耗材(140)與所述熔池之間沒有產(chǎn)生電弧； 其中所述電源(170)包括一個控制器，該控制器確定從所述電流波形(500)到所述至少一個工件(115)中的所希望的熱量輸入，并且所述電源(170)使所述電流波形(500)在所述電弧沉積部分與所述熱絲部分之間交替，以便控制從所述電流波形(500)到所述工件(115)中的所述熱量輸入，從而維持所述希望的熱量輸入。2.如權(quán)利要求1所述的沉積系統(tǒng)，其中所述電弧沉積部分是GMAW型工藝。3.如權(quán)利要求1或2所述的沉積系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個傳感器，該傳感器檢測向所述工件(115)中的熱量輸入，并且所述控制器使用來自所述傳感器的反饋來控制所述電源(170)，并且使所述電流波形(500)在所述電弧沉積部分與所述熱絲部分之間交替。4.如權(quán)利要求1至3之一所述的沉積系統(tǒng)，其中所述控制器控制所述電流波形，使得所述電流波形的所述熱絲部分與所述電弧沉積部分的比率在50/50至0/100的范圍內(nèi)。5.如權(quán)利要求1至4之一所述的沉積系統(tǒng)，其中所述控制器控制所述電流波形的所述熱絲部分與所述電弧沉積部分的比率，以便維持所述希望的熱量輸入。6.如權(quán)利要求1至5之一所述的沉積系統(tǒng)，其中所述控制器控制所述熱絲部分和所述電弧沉積部分中的至少一者的頻率和電流脈沖數(shù)目中的至少一項，以便維持所述希望的熱量輸入。7.如權(quán)利要求1至6之一所述的沉積系統(tǒng)，其中所述希望的熱量輸入是用于所述電流波形的移動平均熱量輸入。8.如權(quán)利要求1至7之一所述的沉積系統(tǒng)，其中所述希望的熱量輸入基于以下各項中的至少一項或組合來確定:所述工件的材料類型;所述耗材的類型;焊接尺寸、焊接位置、應(yīng)用類型、待填充的間隙尺寸、用于所述耗材的焊絲送進(jìn)速度以及所述工件的厚度。9.如權(quán)利要求1至8之一所述的沉積系統(tǒng)，其中所述希望的熱量輸入是用于所述電流波形的移動平均功率輸入。10.如權(quán)利要求1至9之一所述的沉積系統(tǒng)，其中所述控制器控制所述電流波形，使得所述電弧沉積工藝的焦耳與所述熱絲工藝的焦耳的比率在2.5:1至10:1的范圍內(nèi)。11.如權(quán)利要求10所述的沉積系統(tǒng)，其中所述控制器控制所述電流波形，使得所述電弧沉積工藝的焦耳與所述熱絲工藝的焦耳的比率在3:1至7:1的范圍內(nèi)。12.—種耗材沉積方法(100)，包括: 生成沉積電流并且向耗材(140)遞送該沉積電流； 使所述耗材(140)朝向一個工件(115)前進(jìn)，以便使用所述沉積電流將所述耗材(140)沉積在所述工件(I 15)上； 其特征在于所述生成電流波形(500)包括: 生成一個電弧沉積部分，該電弧沉積部分在所述耗材(140)與所述熔池之間產(chǎn)生電弧，其中所述電弧沉積部分優(yōu)選是GMAW型工藝;并且 生成一個熱絲部分，在該熱絲部分過程中加熱電流被提供到所述耗材(140)，并且在所述耗材(140)與所述熔池之間沒有產(chǎn)生電弧;并且 確定從所述電流波形(500)到所述至少一個工件(115)中的希望的熱量輸入，并且使所述電流波形(500)在所述電弧沉積部分與所述熱絲部分之間交替，以便控制從所述電流波形(500)到所述工件(115)中的所述熱量輸入，從而維持所述希望的熱量輸入。13.如權(quán)利要求12所述的沉積方法，進(jìn)一步包括感測向所述工件中的熱量輸入，并且使用來自所述傳感器的反饋來控制所述電弧沉積部分與所述熱絲部分之間的所述交替；和/或進(jìn)一步包括控制所述電流波形，使得所述電流波形的所述熱絲部分與所述電弧沉積部分的比率在50/50至0/100的范圍內(nèi)；和或進(jìn)一步包括控制所述電流波形的所述熱絲部分與所述電弧沉積部分的比率，以便維持所述希望的熱量輸入。14.如權(quán)利要求12或13所述的沉積方法，進(jìn)一步包括控制所述熱絲部分和所述電弧沉積部分中的至少一者的頻率和電流脈沖數(shù)目中的至少一項，以便維持所述希望的熱量輸入;和/或其中所述希望的熱量輸入是用于所述電流波形的移動平均熱量輸入;和/或其中所述希望的熱量輸入是用于所述電流波形的移動平均功率輸入。15.如權(quán)利要求12至14之一所述的沉積方法，其中所述希望的熱量輸入基于以下各項中的至少一項或組合來確定:所述工件的材料類型;所述耗材的類型;焊接尺寸、焊接位置、應(yīng)用類型、待填充的間隙尺寸、用于所述耗材的焊絲送進(jìn)速度以及所述工件的厚度;和/或其中所述控制器控制所述電流波形，使得所述電弧沉積工藝的焦耳與所述熱絲工藝的焦耳的比率在2.5:1至10:1的范圍內(nèi)；其中優(yōu)選地:所述控制器控制所述電流波形，使得所述電弧沉積工藝的焦耳與所述熱絲工藝的焦耳的比率在3:1至7:1的范圍內(nèi)。
【文檔編號】B23K9/09GK106029280SQ201580008867
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年2月23日
【發(fā)明人】S·R·彼得斯, W·T·馬修斯, J·B·亨利, K·約翰斯
【申請人】林肯環(huán)球股份有限公司