專利名稱：以最少摻合物集結(jié)、覆蓋或硬質(zhì)焊敷的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
某些實施方案涉及電弧設(shè)備和使用電弧設(shè)備的方法。更具體地，某些實施方案涉 及這樣的電弧設(shè)備，所述電弧設(shè)備實現(xiàn)用于以最少摻合物將合金化金屬集結(jié)(build up)、 覆蓋(clad)或硬質(zhì)焊敷(hard face)到母體金屬的方法。
背景技術(shù)：
弧焊經(jīng)常被用作對金屬物體進行集結(jié)、覆蓋或硬質(zhì)焊敷由此將期望合金的焊接金 屬置于另一種金屬表面上的方法。普遍地，覆蓋或者硬質(zhì)焊敷原料的成分比所述覆蓋或者 硬質(zhì)焊敷原料被置于其上的金屬昂貴得多，并且因此使焊接金屬的厚度最小化是合乎期望 的。但是，在焊接過程中，覆蓋或硬質(zhì)焊敷的焊接金屬可能被基底金屬(base metal)稀釋， 并且可以添加更多焊接金屬來獲得期望的屬性。在其他情況下，當被直接施加到基底金屬時，覆蓋或硬質(zhì)焊敷的焊接金屬可能形 成不堪使用的不合乎期望的層。在這樣的情況下，可以添加焊接金屬中間層來避免該不合 乎期望的層的形成。例如，當銅/鎳覆蓋被添加到低碳鋼基底板時，銅(來自于覆蓋)和 鐵(來自于鋼)的混合物可以組合以形成傾向于為裂敏感的層。為了消除中間層，可以使 用諸如GMAW-短弧過渡(transfer)的低熱工藝。銅/鐵混合物層(有時被稱為摻合物 (admixture))被保持為足夠低以防裂，但是該工藝受限于短弧過渡范圍，并且因此進行緩 慢。當增加過程來提高產(chǎn)率并且使用傳統(tǒng)的GMAW脈沖噴射過渡或GMAW噴射過渡時，熱增 加，并且銅和鐵的混合物增加到不期望的水平。因此，存在對用于以最少摻合物進行集結(jié)、 硬質(zhì)焊敷或覆蓋的高產(chǎn)率、低熱輸入焊接工藝的需要。通過將常規(guī)、傳統(tǒng)以及所提出途徑的系統(tǒng)和方法與如參照附圖在本申請其余部分 中所闡述的本發(fā)明相比，本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚常規(guī)、傳統(tǒng)以及所提出的途徑另外的限制 和缺點。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服至少一項所述缺陷，本發(fā)明提出一種根據(jù)權(quán)利要求1將合金化金屬覆蓋 或者硬質(zhì)焊敷到母體金屬的方法，以及根據(jù)權(quán)利要求15用于將合金化金屬覆蓋或者硬質(zhì) 焊敷到母體金屬的電弧設(shè)備。從從屬權(quán)利要求和以下描述以及從附圖將清楚優(yōu)選實施方 案。根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案，包括一種通過在包括合金化金屬的推進焊條和包括母體 金屬的工件之間生成一連串電弧脈沖來以最少摻合物將所述合金化金屬覆蓋或者硬質(zhì)焊 敷到所述母體金屬的方法。所述方法包括在第一時間段增加輸出電流水平，同時維持推進 焊條和工件之間的電弧，并且在第二時間段將所述輸出電流水平調(diào)節(jié)到峰值電流水平，同時維持推進焊條和工件之間的電弧。該方法還包括在嘗試誘發(fā)推進焊條和工件之間熔融金 屬的第一短接時，將所述輸出電流水平從峰值電流水平朝本底電流水平降低，以及將所述 輸出電流水平調(diào)節(jié)到所述本底電流水平。所述方法還包括確定所述第一短接是否發(fā)生，以 及如果已經(jīng)確定發(fā)生了所述短接，則將所述輸出電流水平坡升到所述本底電流水平之上， 直到所述短接被清除。所述方法還包括在第三時間段內(nèi)使所述輸出電流水平脈沖化，以防 止在將第一短接清除之后直接發(fā)生第二短接。所述方法步驟可以對于所述一連串脈沖以預 定義的脈沖重復率重復。本發(fā)明的另一實施方案包括一種用于通過在包括合金化金屬的推進焊條和包括 母體金屬的工件之間生成一連串電弧脈沖來以最少摻合物將所述合金化金屬覆蓋或者硬 質(zhì)焊敷到所述母體金屬的電弧設(shè)備。所述電弧設(shè)備包括用于生成第一電流脈沖的裝置，其 中所述第一電流脈沖具有峰值電流水平和脈沖寬度。所述電弧設(shè)備還包括用于通過以第一 速率將所述峰值脈沖電流水平降低到大約本底電流水平來誘發(fā)所述推進焊條和所述工件 之間熔融金屬的第一短接的裝置。所述電弧設(shè)備還包括用于在所述第一電流脈沖之后生成 短接清除電流段來清除所述第一誘發(fā)短接的裝置。所述電弧設(shè)備還包括用于防止第二短接 在所述第一短接之后發(fā)生的裝置，以及用于以預定義的重復率連續(xù)地重復所述第一脈沖的 所述生成、所述第一短接的所述誘發(fā)、所述短接清除電流段的所述生成以及對所述第二短 接的所述防止的裝置。優(yōu)選地，在所述電弧設(shè)備中，-還包括用于檢測所述第一短接的裝置；-所述峰值電流水平約為380安培，并且所述脈沖寬度約為1.5毫秒；-所述本底電流水平約為45安培，并且所述第一速率為至少400安培每毫秒；_所述預定義的重復周期為約8毫秒；-還包括用于以至少200英寸每分鐘的速率推進所述焊條的裝置。從以下描述和附圖將更完整地理解本發(fā)明的這些和其他優(yōu)點和新穎特征，以及本 發(fā)明圖示的實施方案的細節(jié)。


圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)圖示用于進行脈沖焊接工藝的電弧焊機的組合框圖和接線 圖；圖2是圖示現(xiàn)有技術(shù)的脈沖焊接工藝的電壓曲線和電流曲線的圖；圖3是圖示出在圖1中所圖示電弧焊機中各個位置處的信號的圖；圖4是在本發(fā)明的實施方案中所使用的具有芯和外部保護氣體的焊條的部分放 大橫截面圖；圖5類似于圖4，是圖示具有自保護芯并且在本發(fā)明實施方案中可用的焊劑芯焊 條(flux cored electrode)的圖；圖6類似于圖4和圖5，是示出具有如通常在圖1的現(xiàn)有技術(shù)電弧焊機中使用的外 部保護氣體的實心焊絲的圖；圖7是具有電壓曲線和電流曲線、根據(jù)本發(fā)明的實施方案圖示脈沖焊接工藝的 圖，并且包含在焊接工藝各個階段中焊條和工件的繪圖表示；圖8是用于進行圖7中所圖示脈沖焊接工藝的電弧焊機的組合框圖和接線圖9是示出在圖8所示電弧焊機中各個位置處的信號的圖；圖10是包含脈沖焊接工藝的電壓曲線和電流曲線的圖，并且包括對本發(fā)明圖7的 實施方案的添加，以及對該添加所進行的各個階段的繪圖表示；圖11是用于進行圖10中所圖示脈沖焊接工藝的電弧焊機的組合框圖和接線圖；圖12是示出在圖11中所圖示電弧焊機中各個位置處的信號的圖；圖13是具有圖10-12中所圖示脈沖焊接工藝中的修改的電壓曲線和電流曲線的 圖，其中本底(background)被自適應(yīng)性調(diào)整；圖14是用于進行圖13中所圖示自適應(yīng)(adaptive)過程的電弧焊機的組合框圖 和接線圖；圖15是類似于圖13的圖，圖示焊接工藝的自適應(yīng)特征；圖16是包括脈沖焊接工藝的電壓曲線和電流曲線的圖，所述脈沖焊接工藝包括 在脈沖焊接工藝的每個脈沖之間的等離子激發(fā)(plasma boost)和本底段(background segment)；圖17是示出用于進行圖16所圖示脈沖焊接工藝的電弧焊機的組合框圖和接線 圖；圖18是圖示在圖17的電弧焊機中各個位置處的信號的圖；圖19是用于進行圖20和21中所解釋的脈沖焊接工藝的電弧焊機的組合框圖和 接線圖；圖20是示出在圖19中所圖示焊機中各個位置處的信號的圖；圖21是使用圖19中示出焊機以及圖20中信號的波形的圖示；圖22是在對脈沖焊接工藝進行控制以確保短路(short circuit)的情況下通過 使用本發(fā)明實施方案獲得的波形的圖示；圖23是示出在使用如圖16-18中所示焊機時的實際波形的電流曲線；圖24是由電弧設(shè)備所產(chǎn)生的周期性脈沖化波形部分的第一示例性實施方案的圖 示，所述電弧設(shè)備用于通過將所述波形施加到包括合金化金屬的推進焊條和包括母體金屬 的工件之間而以最少摻合物將合金化金屬集結(jié)、覆蓋或者硬質(zhì)焊敷到母體金屬上；圖25是由電弧設(shè)備所產(chǎn)生的周期性脈沖化波形部分的第二示例性實施方案的圖 示，所述電弧設(shè)備用于通過將所述波形施加到包括合金化金屬的推進焊條和包括母體金屬 的工件之間而以最少摻合物將合金化金屬集結(jié)、覆蓋或者硬質(zhì)焊敷到母體金屬上；圖26是在包括合金化金屬的推進焊條和包括母體金屬的工件之間使用一連串脈 沖來以最少摻合物將合金化金屬集結(jié)、覆蓋或者硬質(zhì)焊敷到母體金屬上的方法的示例性實 施方案的流程圖；圖27是用于實現(xiàn)圖26的方法的電弧設(shè)備的示例性實施方案的簡化功能框圖；以 及圖28圖示以合金化覆蓋金屬覆蓋的示例性母體材料。
具體實施例方式現(xiàn)在參照附圖，其中所述附圖僅用于圖示本發(fā)明實施方案的目的而不是用于限制 本發(fā)明實施方案的目的，圖1-3圖示用于進行如圖2中示出的脈沖焊接工藝的現(xiàn)有技術(shù)電
6弧焊機A。因為在實踐本發(fā)明的實施方案時使用的一些部件本質(zhì)上與電弧焊機中的標準 部件相同，所以圖示了現(xiàn)有技術(shù)。盡管可以使用其他焊機架構(gòu)，但是一種架構(gòu)是如俄亥俄 州克利夫蘭的Lincoln Electric公司開創(chuàng)的通過波形技術(shù)控制的焊機。與波形技術(shù)相 關(guān)的很多專利中的兩篇在Blankenship的美國專利No. 5，278，390和Fulmer的美國專利 No. 6,498, 321中得以描述，所述兩篇美國專利通過引用被并入本文作為背景信息。在該類 焊機中，波形生成器產(chǎn)生在脈沖焊接工藝中使用的波形的輪廓(profile)。動力源(power source)通過使用多個電流脈沖并且以例如超過18千赫茲的高頻根據(jù)從波形生成器所確 定的形狀創(chuàng)建脈沖。該類技術(shù)為任何期望的焊接工藝產(chǎn)生精確的脈沖形狀。盡管將關(guān)于采 用波形技術(shù)的焊機的使用來描述本文的實施方案，但是本發(fā)明更寬泛，并且可以用在其他 焊機中，例如SCR控制焊機和基于斬波器的焊機。 圖1中圖示的電弧焊機A被用于使用圖1中各個位置處指示并且在圖3中通過對 應(yīng)標號指示的多個操作信號進行如圖2中曲線所圖示的標準脈沖焊接工藝。在闡述本發(fā)明 的實施方案之前，將考慮其與圖1-3所示現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的背景內(nèi)容。電弧焊機A具有動力 源10，其呈高速開關(guān)逆變器形式，具有輸出引線12、14，以在焊條E和工件W之間創(chuàng)建脈沖 焊接過程。動力源10由適當?shù)碾娫?6驅(qū)動，所述電源16被圖示為三相輸入。根據(jù)標準技 術(shù)，構(gòu)成脈沖焊接工藝的脈沖和分離本底電流的輪廓是由波形輸入18上的信號確定的。分 流器22通過線路24將焊接工藝的電弧電流傳送到電流傳感器26，所述電流傳感器26具有 用于反饋控制環(huán)路的模擬輸出28。以類似的方式，引線30、32將電弧電壓傳送到具有檢測 輸出36和電平或幅度輸出38的電壓傳感器34。檢測輸出指示在焊條E和工件W之間短路 的期間電壓水平何時驟降。電平輸出38具有代表電極和工件兩端電弧電壓的信號。電壓 檢測輸出36被引導到具有輸出42的短接響應(yīng)電路40，所述輸出42如圖3中所示的輸出信 號3。當存在短路時，在線路42上存在根據(jù)標準技術(shù)的檢測信號。波形生成器50加載以 該特定波形，以進行焊接工藝。該波形被指示為圖3中示出的信號2。定時器52通過線路 54將定時信號引導到波形生成器，用于初始化構(gòu)成所述焊接工藝的各個脈沖的目的。生成 器50還具有來自線路28、38的反饋信號，用于根據(jù)波形生成器的設(shè)定輪廓以及在焊條和工 件之間已有的輪廓控制電壓和電流。待由動力源10輸出的波形是線路56中的信號2。該 信號連接到求和結(jié)點或加法器60的輸入，所述求和結(jié)點或加法器60具有針對信號4的輸 出62。在現(xiàn)有技術(shù)焊機A中，該信號是引導到動力源10的輸入18的實際信號。焊機A所 進行的焊接工藝在圖2中圖示出，其中電流曲線100具有一連串間隔的電流脈沖102，所述 電流脈沖102通過本底電流部分104隔開。電壓曲線120是線路30、32之間的電壓，并且 構(gòu)成與曲線100的電弧電流相關(guān)的電弧電壓。峰值電壓是施加峰值電流102的結(jié)果。曲線 120的低平均電壓是歸因于高瞬時電弧電壓與短接(short)或者低于約6.0伏特電壓的均 值。當存在短路時，電弧電壓120如點122所指示的那樣驟降。該電壓驟降指示焊條和工 件之間熔融金屬的短路。當這種情況發(fā)生時，清除(clearing)過程覆寫線路56中的波形 形狀。一旦在點122檢測到短路，沿圖2中示出的斜坡(ramp) 106在焊條和工件之間施加 高電流。在實踐中，該斜坡是陡峭的，并且隨后如部分108指示的那樣變得平緩。當短路被 增加的電流清除時，根據(jù)標準技術(shù)，曲線120的電壓立刻變回等離子或電弧條件。這導致電 流沿線110的尖滅(tail out)或恢復。結(jié)果，當存在短路時，電弧電流沿斜坡106和斜坡 108增加，直至該短接被清除，如增加的電壓所指示的。對短路的去除使得短接響應(yīng)電路40的輸出停止。焊機A的操作通過如圖3中示出的信號2、3、4、7和9進行公開。信號7是在 線路36中感測的電壓。在正常的環(huán)境下，電壓120包括多個間隔的脈沖130，其具有波形 生成器50確定的形狀，并且具有定時器52確定的間隔。當在點122存在短接時，電壓沿線 132驟降。這導致在線路42中生成輸出的脈沖140，所述輸出為信號142的形式，其一般與 電流曲線100的斜坡106匹配，該輸出與信號2相加。波形生成器50的輸出為信號2，其構(gòu) 成圖3中示出的波形信號150。求和結(jié)點60在線路62中的輸出為信號2和3的和，其被示 出為線路62中的信號4。斜坡142與波形150相加，從而焊條E和工件W之間的輸出為線 路18中控制逆變器型動力源10的信號。這是對標準的現(xiàn)有技術(shù)焊機的陳述，所述現(xiàn)有技 術(shù)焊機在本文中被修改，從而提供具有減小的電弧長度以及減少的飛濺的焊條快速移動。
通過使用本發(fā)明的實施方案，脈沖焊接工藝可以從電弧電壓在高于26-27伏特的 范圍的高壓工藝變?yōu)槠渲须娀‰妷旱陀?5伏特并且具體來說在17-22的一般范圍的低壓 工藝。隨著通過使用本發(fā)明的實施方案來使得該低電壓變得可能，電弧是穩(wěn)定的，具有小于 約0. 20-0. 30的非常短的電弧長度。在約22伏特和200安培，電弧長度約為0. 15英寸，鋼 焊絲連帶90%氬和10%二氧化碳。這在仍舊維持良好焊珠輪廓的同時允許更快的行進速 率?？梢允褂闷渌附z，例如鋁或不銹鋼。圖4-5中圖示出在本發(fā)明的實施方案中使用的 三種不同焊條。在圖4中，帶芯焊條200在箭頭的方向上推進，并且包括外鋼套202和內(nèi)芯 204，所述內(nèi)芯由合金劑和其他在焊珠中提供期望焊接金屬所必須的化合物形成。因為電弧 或等離子AC是創(chuàng)建在焊條和工件W之間，所以保護氣體206被引導為圍繞電弧，以保護電 弧不受大氣污染物影響。電弧長度x是小于0. 30英寸的長度，并且是由在17-22伏特的一 般范圍內(nèi)的電壓創(chuàng)建的。該類焊條良好適應(yīng)于在本發(fā)明的實施方案中使用。另一種帶芯焊 條在圖5中示出，其中焊條210具有外套212和內(nèi)芯214。該焊條是自保護焊條，其中芯214 的組合物提供助熔劑和其他組合物，以在熔融金屬通過電弧并過渡到工件W時保護所述熔 融金屬。同樣，該帶芯焊條在實踐本發(fā)明的實施方案時是有用的，其中在過去帶芯焊條未曾 被成功地用于脈沖焊接。圖6示出具有保護氣體222的實心焊絲220。這是目前用于脈沖 焊接的正常焊絲。該類焊條是正常用于MIG焊接并且特別用于脈沖焊接的焊條。通過使用 本發(fā)明的實施方案，焊條200、210和220現(xiàn)在可以被用于脈沖焊接。因此，本發(fā)明的實施方 案在脈沖焊接中利用了帶芯焊條的冶金和物理屬性。在Stava的美國專利No. 6，071，810中 討論了帶芯焊條對STT焊接的益處，該美國專利通過引用被并入本文作為背景信息?？梢?使用帶芯焊條是因為本發(fā)明的實施方案提供了低壓，從而用于焊接工藝的電壓范圍通過帶 芯焊條得以擴展。當使用如圖6中圖示的實心焊絲時，低壓允許焊絲更快地行進。通過使 用本發(fā)明的實施方案，可以根據(jù)焊接工藝的要求使用圖4-6所示的所有焊條。在過去，高電 弧電壓阻止了對所有類型的焊條的有效使用。因為本發(fā)明的實施方案允許非常低的電弧電 壓，所以電弧長度小并且熔融金屬通常通過短路而過渡到工件。該工藝利用了帶芯焊條，尤 其是對脈沖焊接來說非?？山邮艿慕饘傩竞笚l。的確，已經(jīng)證明，在獲得本文所描述等離子 激發(fā)脈沖概念的一般優(yōu)點時，在芯中具有約0. 010到0. 030硫的金屬芯焊條是極度有效的。 已經(jīng)證明，俄亥俄州克利夫蘭的Lincoln Electric公司所銷售的焊絲Metal Shield MC6 和MC 706對于與使用等離子激發(fā)脈沖的方法一起使用來說是有益的，在所述方法中，保護 氣體為75-95%的氬以及二氧化碳平衡氣體。這些焊絲符合E70C-6M命名。其他金屬芯焊 條和自保護帶芯焊條已經(jīng)利用了在根據(jù)本發(fā)明的實施方案進行的工藝中可獲得的低壓、短
8電弧長度。 在圖7-9中圖示出本發(fā)明的一實施方案，其產(chǎn)生在圖7中最佳地示出的脈沖焊接 方法。電壓曲線300包括間隔的脈沖302，所述脈沖302通過由波形生成器50的輸出確定 的本底部分304隔開，其中脈沖由定時器52的輸出間隔。當然，定時可以被內(nèi)建在波形生 成器的程序中。本底電流304被提供在脈沖302之間，用于在熔融金屬M已經(jīng)形成并且沉 積到工件上熔融金屬熔池中之后保持電弧點亮。電壓曲線310包括短路檢測點312和短路 清除點314。曲線300示出用于生成部分306、308的正常高電流清除例程，所述部分306、 308分別對應(yīng)于圖2所示現(xiàn)有技術(shù)的部分106、108。該實施方案涉及在短路清除點314之 后提供等離子激發(fā)脈沖320，從而激發(fā)脈沖在電弧條件或等離子條件期間發(fā)生。在實踐中， 該等離子脈沖是在來自于波形生成器50的輸出被中斷的期間創(chuàng)建的，并且在動力源10的 輸入18處替代生成器的輸出。等離子激發(fā)脈沖320是經(jīng)調(diào)節(jié)的功率，在5-20KW的一般范 圍內(nèi)，并且優(yōu)選地小于約10-15KW。對于鋁，該功率可以為低至1.0KW。該脈沖具有峰值部 分322，該峰值部分322具有一般小于5. 0毫秒并且優(yōu)選在0. 2-5. 0毫秒范圍內(nèi)的時距y。 在本實施中，該時間為0. 3毫秒。脈沖320在峰值部分322的末端終止，以進入電流減小區(qū) 段，在該區(qū)段中，電弧電流降至本底電流水平304。在實施方案中，該電流減小為長的下降沿 324和一般平緩的尖滅部分326，從而等離子激發(fā)脈沖在5. 0毫秒之前終止。等離子激發(fā)的 操作在圖7頂部的繪圖表示中進行描繪。焊條E朝工件W推進，此時熔融金屬如所示那樣 正在位置I處形成。焊條和工件之間的電流隨后增加到脈沖302的峰值，導致焊條E的端 部進一步熔化并產(chǎn)生熔融金屬球M。峰值302的操作在位置II。工件W包括熔融金屬熔池 P，該熔融金屬熔池P是由焊條E和工件W之間的電弧力凹刻成的。在位置II之后，在正常 的脈沖焊接中，焊條E端部的熔融金屬M在工藝的本底部分304通過電弧過渡到熔池P。隨 后，工藝如所示出的在位置VI重復。由熔融金屬M造成的焊條E和熔池P之間的短路并不 形成正常脈沖焊接操作的部分。當短路如示出的那樣在位置m發(fā)生時，電弧電壓在點312 驟降。隨后短路起始由部分306、308所代表的高電流清除例程或序列，以掐斷(neck off) 并使熔融金屬M與焊條E如示出那樣在位置IV分離。隨后，實現(xiàn)本發(fā)明的實施方案。在短 路清除時，輸出等離子激發(fā)脈沖，所述短路清除是由點314處電壓的快速升高表示的。該等 離子激發(fā)脈沖迫使熔池M如示出那樣在位置V離開焊條E。該高電弧力劇烈凹刻熔池P，以 確保熔融金屬M與熔融熔池P之間的分離。這確保在下一脈沖302之前不開始短接或者短 路。在位置V處示出的脈沖320之后，通過波形生成器50實現(xiàn)低本底電流部分304。這允 許工件W的熔池P靜止，從而以所圖示的方式在位置VI減少所述凹刻。通過如示出的在位 置V使用本發(fā)明的實施方案，在焊條E端部和工件W的熔池P之間提供實質(zhì)更大的間隔或 間隙G。該大的間隙是掐止(neck)并斷開(rupture)短路之后的等離子激發(fā)脈沖的結(jié)果。 本發(fā)明的實施方案允許較低的電壓、較快的操作以及具有低飛濺的均勻焊珠。隨著短路已 經(jīng)被清除，電弧迫使的間隙的創(chuàng)建直接控制在焊條之下熔池中熔融金屬的形狀。位置V代 表通過在脈沖焊接操作中緊隨短路使用等離子激發(fā)脈沖所獲得的主要益處。有可能僅使用 等離子激發(fā)脈沖既清除短路又迫使熔池進入在位置V示出的大電弧力凹刻。然而，這可能 增加飛濺。所以，短路的清除是合乎期望的。因為短路被清除并且緊隨其后為高功率等離 子激發(fā)脈沖，所以短路事件不再有害于脈沖焊接工藝。如之后將示出的，周期性短路的存在 可以是有利的，并且被理所當然地提供為不那么有害。
通過圖8示出的電弧焊機B進行具有等離子激發(fā)脈沖的脈沖焊接工藝。以相同的數(shù)字和相同的信號在焊機B中使用了與圖1中所示焊機A中所用相同的功能部件。為了 實踐本發(fā)明的實施方案，焊機B被提供有等離子激發(fā)輪廓電路350，該等離子激發(fā)輪廓電路 350具有線路352中的開始中斷信號，其中短路在圖7中的點314被清除。當達到點314 時，線路352中的信號通過線路362傳送到定時器360。這使定時器開始創(chuàng)建中斷時間。線 路362中的該中斷信號繼續(xù)，直至定時器進展到其設(shè)定時間。線路362中來自定時器360 的信號設(shè)定中斷的持續(xù)時間，等離子激發(fā)輪廓電路350在所述持續(xù)時間期間進行操作。當 線路364中的中斷信號使開關(guān)370從正常接觸372變?yōu)橹袛嘟佑|374時，輸出354在中斷 期間處理激發(fā)脈沖輪廓。當定時器360將開關(guān)370保持在5接觸374的中斷位置時，只要 定時器360正定時為在線路364中給出信號，等離子激發(fā)電路350在線路354輸出輪廓信 號。該輪廓是圖7中示出的等離子激發(fā)脈沖320。當然，開關(guān)370是數(shù)字軟件開關(guān)，用于從 求和結(jié)點60的輸出62變?yōu)橹袛辔恢?，此時電路350處理被指示為信號5的輪廓。該信號 被引導到動力源10的輸入18。各種信號在圖9中以與圖3中信號對應(yīng)的數(shù)字示出。新的 信號5、6、10和11在圖9的下部分中示出，并且在時間上與之前描述的其他信號協(xié)調(diào)。當 短路已經(jīng)被清除時，短接響應(yīng)電路40在線路352中創(chuàng)建信號10，該信號為脈沖380。該脈 沖使定時信號11開始，所述定時信號11是具有超時位置384的斜坡信號382。只要定時器 360正在定時，則維持中斷信號390，此時線路354中的等離子激發(fā)輪廓被動力源10處理。 在中斷以及脈沖390所指示的信號輸出期間，輸入線路18上的控制電壓為被示出為信號6 的脈沖392的形式。在實踐中，當以低電流形成短路(圖7的點312)時是有利的，這將使 任何創(chuàng)建的飛濺最少化。因為短路的橫截面最小化，所以僅需要按照所述短接斜坡的電流 最小增加來清除短路。以相對低的電流清除短接，導致短接釋放所造成的最少飛濺。通過使用如圖7-9中所示的本發(fā)明的實施方案，在已經(jīng)根據(jù)標準實踐通過短接響 應(yīng)電路40進行了正常的短路清除例程之后，提供等離子激發(fā)。根據(jù)本發(fā)明的寬泛方面，等 離子激發(fā)脈沖可以替代短接清除例程；然而，這并非合乎期望的實現(xiàn)。來自波形生成器60 的標準脈沖程序可以被修改以改進短接事件并且改進對短路的響應(yīng)，從而所述事件不是 有害的。這些修改包括在脈沖302上升沿進行的從低本底電流向高峰值電流的快速轉(zhuǎn)變 (transition)。這快速地將輸出增加至過渡電流之上的水平，以開始焊條端部焊滴的熔融。 隨后，可以提供從脈沖302的高峰值電流向低本底電流304的快速轉(zhuǎn)變。這快速地減小焊 滴和熔池之間的電弧力。隨著該電弧力被去除，熔池和焊滴可以容易地短接。從峰值電流 向本底電流302的轉(zhuǎn)變將使短接更頻繁，并且如果初始轉(zhuǎn)變約略地越過本底電流，則是有 正面影響的。由此，的脈沖302的下降沿轉(zhuǎn)變到略低于本底電流304的電流。在后面當討 論圖22時更詳細地公開了該方面。如圖7中圖示的，短接響應(yīng)是多斜坡(multi-ramp)響 應(yīng)，其使得用于分離起始短接的、對短路的初始響應(yīng)最小化，并且隨后使得用于清除更強硬 (harder)短接事件的電流響應(yīng)增加。在處理標準CV程序時，該方法在Lincoln Electric 公司所制造的Power Wave 455中已經(jīng)被使用了多年?？梢赃M行添加，如圖10-12中圖示的本發(fā)明的實施方案，其中等離子激發(fā)脈沖或 例程被修改為促進熔融金屬的一致脫離。等離子激發(fā)在焊條端部創(chuàng)建熔融焊滴，所述焊滴 將在下一脈沖周期過渡。一旦等離子激發(fā)脈沖完成，繼續(xù)標準的脈沖波形。然而，短路將不 會在脈沖焊接工藝的每個脈沖上同時發(fā)生。此外，清除短接所需要的時間在一次短接和下一次短接之間是不一致的。結(jié)果，與定時器52所確定的下一脈沖有關(guān)系的短接清除時間將不是一致的。當使用本發(fā)明的實施方案時，等離子激發(fā)脈沖完成之后剩余的時間將是不同 的。假設(shè)本底電流304在波形生成器50所創(chuàng)建的波形中具有足夠的時間來允許焊條在熔 融金屬過渡之前行進為更靠近熔池。該時間由于所述陳述的理由而一次短接和下一次短接 之間是非一致的。結(jié)果，焊條端部相對于熔池的位置將不是一致的。用于改進該一致性的 方法允許焊條端部在下一脈沖之前行進一致的距離。本發(fā)明基本實施的方法中的該改進在 等離子激發(fā)本身已經(jīng)被處理之后使用專用的本底時間和幅度例程。創(chuàng)建等離子激發(fā)脈沖的 波形被修改為在脈沖之后包括其自己的本底電流部分。結(jié)果，定時器360被用來控制等離 子激發(fā)脈沖的持續(xù)時間以及本底電流時間和幅度。等離子激發(fā)脈沖起到如圖10頂部繪圖 表示所示那樣在距熔池一致距離處在焊條端部上創(chuàng)立一致的焊滴的作用。為了在下一脈沖 之前維持該一致操作，在該實施方案的該修改中對本底段或本底部分使用一致的時間和幅 度。該修改在圖10-12中示出。等離子激發(fā)脈沖被擴展為包括專用(dedicated)本底幅度 和時間。定時器360被用來設(shè)定以出現(xiàn)在線路352上的短路清除信號開始的時間。根據(jù)該 修改，圖11示出的電弧焊機C被修改為在中斷結(jié)束時重置定時器52，在該期間線路354控 制輸入18。重置信號是線路400上的信號。在中斷期間，等離子激發(fā)電路350創(chuàng)建信號5 來生成波形410，所述波形410具有等離子激發(fā)脈沖部分412和終止于時間416的本底電 流部分414。這是定時器360在線路400上創(chuàng)建重置信號的超時時間。當定時器360開始 其定時序列，存在被示出為圖12中脈沖420的中斷。這是與之前描述的相同的中斷。定時 器52如圖12所示那樣沿線422定時。在位置424，定時器52重置，導致在時間426時線 路54上的信號，以開始生成器50的信號2中的下一脈沖150。根據(jù)本發(fā)明的該實施方案， 當定時器360在等離子激發(fā)波形410尖滅區(qū)段414末端達到其設(shè)定時間時，焊機C在線路 400中創(chuàng)建重置信號。該重置信號處于圖12中示出的時間430。重置信號1在波形410等 離子激發(fā)部分末端處終止信號2的脈沖150，以創(chuàng)建圖12中示出的部分脈沖150a。這隨后 起始圖12中示出的信號4的下一脈沖150b。在中斷420期間，波形410由電路350創(chuàng)建 在線路354上。中斷期間的波形具有等離子激發(fā)脈沖412以及本底電流部分或段414的精 確輪廓。緊接本底電流部分已經(jīng)被動力源10實現(xiàn)之后，導致下一脈沖150b前進。結(jié)果，當 存在短路時，存在精確的脈沖和尖滅或本底電流幅度和時間。這在圖10中示出。由開關(guān) 370的中斷位置造成的線路18上的信號是波形410，其具有脈沖部分412和本底電流部分 414。線路400中的信號發(fā)生在時間416。這是中斷的預定波形已經(jīng)完成的時間。結(jié)果，單 元(element)412、414和416對于每次短接來說是一致的。之后，定時器52起始新的脈沖 302。圖12中示出的信號6被施加到輸入18，用于控制焊條E和工件W之間電流或功率的 輪廓。該新的輪廓是圖12中的輪廓440。結(jié)果，波形生成器50的輸出在短接結(jié)束時被中 斷，并且處理給定的脈沖和本底電流段。該波形的結(jié)果在圖10的位置I-III中示出。一旦 創(chuàng)建部分412，電弧力推動熔池P，使得熔池P從焊條E的端部移開。這在位置I處示出。 之后，本底電流部分允許熔池P以均勻的方式重構(gòu)。這在位置II處示出。在輪廓化的波形 410的末端，如位置III示出的，熔融金屬M準備好了過渡到工件W。這在每次短路之后創(chuàng) 建一致的操作。這樣的修改提高焊接的質(zhì)量，同時仍舊維持在短路結(jié)束時使用等離子激發(fā) 脈沖的益處。結(jié)果，等離子激發(fā)信號包括具有選定幅度和持續(xù)時間的專用本底部分304，所 述選定幅度和持續(xù)時間處于與圖10中水平414不同的水平。中斷信號維持通過包括等離子激發(fā)脈沖412和專用本底部分或段414的波形410。定時器52在專用本底時間結(jié)束時被 重置。在專用本底部分期間，波形生成器被忽略，因為中斷已經(jīng)將輸入18的控制切換到等 離子激發(fā)控制電路350的輸出。波形生成器被定時器52重置。對圖10-12中圖示的實施方案的些微修改在圖13-15中公開。在等離子激發(fā)脈沖 之后形成在焊條端部的熔融金屬M將根據(jù)等離子激發(fā)脈沖期間的某些條件而不同。結(jié)果， 可以使用在等離子激發(fā)脈沖期間感測電弧電壓的反饋環(huán)路來調(diào)整所述專用本底段414。等 離子激發(fā)脈沖期間的電弧電壓指示脈沖期間的電弧長度。該電弧長度被用于計算本底電路 部分幅度和/或持續(xù)時間。因為等離子激發(fā)被定義為功率的函數(shù)，所以使用電壓反饋來計 算相對電弧長度并修改本底幅度和/或持續(xù)時間。對本底幅度和持續(xù)時間進行調(diào)適將更多 地促進在短路之后焊條相對于熔池的放置的一致性。在圖14所示的焊機D中使用獨立的 自適應(yīng)控制。該自適應(yīng)環(huán)路根據(jù)所感測到在波形410的脈沖部分412期間發(fā)生的電弧電壓 修改本底部分414。該第二自適應(yīng)控制環(huán)路的增益必須被這樣設(shè)定，即使得短接等離子激發(fā) 將直接影響下一本底電流段。結(jié)果，僅調(diào)適用于正被處理的中斷的本底電流幅度和持續(xù)時 間。因此，電弧焊機D允許等離子激發(fā)受電弧電壓反饋環(huán)路的控制。為此，對本底部分414 幅度和持續(xù)時間的調(diào)整是由具有輸入502的電路500實現(xiàn)的，所述輸入502代表來自電壓 傳感器34的電弧電壓。輸出504與等離子激發(fā)電路連通，以調(diào)整在開關(guān)370處于中斷位置 374的時間所確定的中斷期間調(diào)整本底部分。通過比較圖13和圖15最好地說明該概念。 在圖13中，本底部分414 (通常為電流)如之前描述的那樣是固定的輪廓。圖14中來自線 路502的電壓將部分414調(diào)整為圖15中的虛線配置，其中波形410新的本底部分414a在 新的點416a處終止。部分414a被脈沖部分412期間的電弧電壓調(diào)整，該電壓基本上對應(yīng) 于波形410等離子激發(fā)脈沖部分期間的電弧長度。除此之外，圖14中示出的電弧焊機D與 如之前描述的焊機A、B和C相同。在圖16-18中描述對等離子激發(fā)脈沖的另一種使用。在如圖16中示出的曲線 100、120的每個脈沖302之間插入具有激發(fā)脈沖部分602和本底部分604的等離子激發(fā)脈 沖600。以這種方式，等離子激發(fā)脈沖預熱焊條端部，并且為下一脈沖320創(chuàng)建用于過渡到 熔融金屬熔池P的焊滴。等離子激發(fā)脈沖的第一段為將預熱焊條端部并創(chuàng)建焊滴的脈沖。 該預熱已經(jīng)在使用非鐵金屬(例如鎳合金和鈦)的GMAW脈沖焊接中被有益地使用。在對 每個標準脈沖之間的激發(fā)脈沖的該處理中，已經(jīng)使用了如圖4和5中所示的金屬芯焊絲和 焊劑芯焊絲來提供FCAW-G和FCAW-S焊接工藝。該工藝是由電弧焊機F實現(xiàn)的，所述電弧 焊接F通過去除短接響應(yīng)電路40并提供兩路重置線路608而不同于圖11中所示的焊機C。 等離子激發(fā)輪廓電路350的輸出是固定波形410，所述波形410在開關(guān)370通過線路364上 的邏輯變?yōu)橹袛辔恢?74時被引導到輸入18。該線路為圖18中所示的信號11，其中定時 器360沿部分610定時，直至其在點612達到其設(shè)定的計數(shù)。當開關(guān)370保持在中斷位置 374時，中斷脈沖620存在。該中斷在時間612開始，此時定時器360起始。當定時器在時 間612起始時，線路354上的輸出是圖18中所示的具有譜圖600a的波形。定時器52在時 間424起始下一脈沖150，并且在該時刻終止中斷620。因此，在中斷620期間，波形600a 被弓I導通過線路354到達輸入18。因此，信號6在來自于波形生成器50的信號2和與線路 354中波形410對應(yīng)的固定脈沖輪廓形狀600b之間交替。在定時器重置之間的時間期間， 處理中斷，以通過來自電路350的輸入18驅(qū)動動力源。因此，等離子激發(fā)脈沖600通過動力源10例常地實現(xiàn)在正常脈沖302之間。在圖16上部最佳地圖示出使用功率激發(fā)脈沖的操作，其中焊條E被熔融，從而熔融金屬M在位置I和II之間過渡到工件W。隨后，根據(jù)標 準的脈沖焊接技術(shù)，熔融金屬M如位置III所示那樣過渡到工件W的熔池P。在位置IV，包 括高功率等離子激發(fā)的波形600實現(xiàn)在焊條E和工件W之間。該波形導致位置IV示出的 熔池P的動作。當通過電弧施加等離子激發(fā)脈沖波形600a的固定本底部分604時，熔池P 朝熔融金屬M回退，并且等待下一過渡脈沖302。這在位置V示出。波形600a的脈沖部分 將加熱焊條端部并且創(chuàng)建在下一脈沖期間過渡的熔融焊滴。該方法可以被單獨使用或者與 圖18中所示的定時序列組合使用?？梢允褂闷渌挪紒韺⒌入x子激發(fā)脈沖插入在來自于 波形生成器50的標準電流脈沖302之間。焊機F可以具有如圖14中所示焊機D的本底調(diào) 整特征作為一種選項。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，波形600a的尖滅是固定的。來自于電壓或 電弧長度的自適應(yīng)反饋是可選的。圖23是工藝的實際實現(xiàn)的電流曲線，其中在標準脈沖焊接工藝的每個脈沖之間 創(chuàng)建等離子激發(fā)脈沖。點910處的短路發(fā)生在每個脈沖900之后。該短路不是在脈沖900 的峰值處，而是在衰減部分902之后。短接通過熔池的節(jié)奏性移動而自然清除，以創(chuàng)建電流 丘904。在短路清除例程如至此所解釋的那樣增加電流之前存在延遲。如果短路在延遲過 期之前自然清除，則不存在清除電流增加。因此，在存在短接清除電流的急流之前，短接通 常在點912被清除。點912處的該第二信號是如圖9所示信號9中的下降沿。當?shù)诙?號從電壓感測設(shè)備34創(chuàng)建時，短接被清除并且創(chuàng)建等離子激發(fā)脈沖930。因為電路中的固 有時延，在點912處的第二信號和脈沖930的開始之間存在約略的時延920。之后，本底電 流932繼續(xù)到下一脈沖。清除電流之前該約略的延遲將在圖9的脈沖142的創(chuàng)建之前，但 是在短接期間該延遲可能比自然清除短接的時間長。如果短接是在延遲已經(jīng)過期之前被清 除的，則焊機直接以其固有延遲920進入等離子激發(fā)。在脈沖900期間，存在電流的突然增 力口，以增加電弧能量來形成并擠出從焊條端部延伸的熔融焊滴。在時間R期間，脈沖坡降以 緩和壓制熔融熔池的等離子力。這允許熔池朝焊滴上升。當在點910存在短接時，焊滴已 經(jīng)與熔池接觸。短接在點912 —終止，溫和的等離子激發(fā)脈沖就將熔池推開并調(diào)節(jié)焊條尖 端。這確保來自尖端的金屬與熔池的可靠分離，導致穩(wěn)定的周期節(jié)奏。清除電流之前的延 遲允許通過該節(jié)奏而非通過清除電流清除所述短接。如果其在該延遲期間未被清除，則實 現(xiàn)標準的電流清除例程。點912處的第二信號向控制器通知短接已經(jīng)被自然清除或者通過 清除電流被清除。隨后輸出等離子激發(fā)脈沖。這是圖16-18中焊機的實際操作。以不同的短路清除例程對包括等離子激發(fā)脈沖部分的波形進行利用，是本發(fā)明的 另一方面，并且在圖19-21中示出。焊機G類似于圖11中公開的焊機C，增加了具有輸入 702和輸出704的標準預兆電路700。輸出上的邏輯指示來自傳感器34的電弧電壓的dv/ dt何時超過給定水平，所述給定水平指示在針對短路的清除例程期間的妨礙性短路。dv/dt 電路是標準的，并且檢測等于或者大于參考值的傾斜，所述參考值表明將要打斷(break) 短接。該電路停止短接響應(yīng)電路40，從而線路325中的信號終止圖21所示波形710的電弧 部分712，并且起始等離子激發(fā)輪廓電路350輸出354上的等離子部分714。預兆電路700 的輸出704被示出為信號12中的脈沖720，所述信號12為圖20所示焊機G的眾多信號之 一。圖20中各個編號的信號對應(yīng)于圖19中使用的編號。焊機G生成圖20中示出的信號， 所述信號基本上與圖11中針對焊機C圖示的類似編號的信號相同。焊機G和焊機C之間的基本不同與波形710的短接清除部分712相關(guān)。當短接發(fā)生在圖20所示的點132時，波形 710的波形部分712由短接響應(yīng)電路40實現(xiàn)。波形的該部分是不同的，并且包括部分730 所代表的短接時刻電流的立刻降低。電路40保持該電流為低達預設(shè)時間732，這之后實現(xiàn) 對短路的清除例程。該例程以電流沿傾斜部分734的快速增加開始，之后是更為平緩的第 二傾斜部分736。因為該電流增加是通過短路引導的，所以開始掐止短路，導致dv/dt的增 力口。當該導數(shù)達到特定水平時，創(chuàng)建脈沖720。該脈沖立刻使電流驟降至與降低點730處的 水平類似的低水平。該預兆關(guān)系可以為dv/dt、di/dt、dp/dt或時間的其他導數(shù)。脈沖720 導致的電流減小還開始圖21中所圖示的一般波形710的波形部分714。在另一實施方案 中，波形710通過短路的打斷而開始。波形部分714包括具有尖滅部分742的等離子激發(fā) 脈沖740。該尖滅部分在圖19中更明顯，但是具有多種配置。焊機G使用獨特的短路清除 過程，由此清除例程的終止是由臨近的短路斷開確定的，與焊機C中所采用的電壓檢測器 相反。除此之外，清除過程一般是相同的。該例外是針對時間732的減小的電流部分。金 屬過渡線(metal transfer line)或電流744小于峰值電流，但是大于等離子激發(fā)脈沖的 最大電流。當存在短接時，短路被清除，并且起始等離子激發(fā)脈沖來在推進焊條正形成用于 下一次過渡的熔融金屬球時迫使熔融金屬熔池離開該推進焊條。通過使用圖21中示出的 波形710，由于短路造成的金屬過渡不是有害的，并且甚至可以是有益的。的確，當使用本發(fā) 明的實施方案時，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由在脈沖焊接工藝每個脈沖150之后的短路過程造成的過渡具有一些優(yōu)點。結(jié)果，已經(jīng)提出了依賴于脈沖焊接工藝中短路造成的金屬過渡的修改方案。 該修改方案使用等離子激發(fā)脈沖并且在圖22中進行描述。圖22中圖示了在脈沖焊接工藝中為了真正通過短路過渡來過渡金屬的目的使用 等離子激發(fā)脈沖，而不是使用正常的噴射過渡。該方面使用來自至此詳細描述的各種電弧 焊機的元件。正常的脈沖焊接波形被圖示為具有脈沖802的曲線800，所述脈沖802被本 底電流部分804分開并且被間隔以產(chǎn)生周期η。每個峰值電流階段806具有用于如正常情 況那樣針對噴射過渡的目的熔融推進焊條的長度或處理時間。通過電弧的該過渡發(fā)生在峰 值電流階段結(jié)束時，并且被示出為點810。脈沖802意圖具有足夠的能量來熔融并且朝工 件推動熔融金屬焊滴。如果該動作未發(fā)生，則當推進焊絲端部的熔融金屬球接觸熔池的熔 融金屬時將創(chuàng)建短路。該接觸創(chuàng)建在點812處指示的短路，以實現(xiàn)并實施至此所描述的方 法，其中短路創(chuàng)建金屬清除例程，并且隨后提供等離子激發(fā)脈沖，具有或不具有受控的輔助 本底電流。對于解釋正常脈沖焊接工藝和圖22所示方面之間的差別的目的，使用曲線800 的代表性正常脈沖焊接工藝的參數(shù)是有幫助的。峰值電流806具有550安培的值和約2. 0毫秒的時長。本底電流804具有90安 培的水平，同時周期η為約8. 3毫秒。這些參數(shù)代表已經(jīng)如之前描述地那樣向其添加了本 發(fā)明的各個方面的脈沖焊接工藝。在圖22中，在使用短路條件來過渡熔融金屬的工藝中使 用本發(fā)明的實施方案。由于使用所述實施方案的靜態(tài)熔池動力特性，所以可以使用該工藝。 圖22中新的脈沖焊接工藝由曲線820圖示，其中電流脈沖830是以這樣的頻率提供的，所 述頻率被增加至曲線800中所使用頻率的兩倍。使用該高頻率，當與正常的脈沖焊接工藝 相比時，脈沖830之間的周期m可以降低到約4. 3毫秒。被描繪為曲線820的工藝的范本 還具有對正常脈沖焊接曲線800的其他修改。例如，峰值電流減小到一水平，例如475安 培，并且具有縮短的時間1.5毫秒。這些是代表性參數(shù)，但是表示脈沖830并不打算真正從焊條分離熔融金屬，并且如脈沖802所執(zhí)行的那樣將其推向工件。因此，當焊絲向工件推進時，脈沖830只在焊絲端部形成熔融金屬球。由于峰值電流下降，推進焊絲端部的熔融金屬 球向熔融金屬熔池推進。根據(jù)圖22所示的本發(fā)明實施方案，峰值階段832之后電流的減小 低于本底電流水平834，直至較低的電流點840。這減小了推進熔融金屬球和熔融金屬熔池 之間的電弧力量。因此，當熔融金屬球向熔融金屬熔池移動時，熔池向熔融金屬球上升。這 導致點842處的短路。如上所述的那樣檢測該短路。接著本發(fā)明的實施方案創(chuàng)建波形850。 該波形包括脈沖部分852和尖滅部分854。該波形在等離子部分期間發(fā)生，此時存在電弧來 起始為下一脈沖830作準備的推進焊絲熔融。如之前描述的，在點842激活清除電路，以提 供具有兩個傾斜部分862、864的清除例程。通過使用圖22所公開的實施方案，曲線820以 更高頻率提供脈沖，并且在脈沖中具有較少能量。在脈沖結(jié)束時激活的電路使電弧電流驟 降，以確保短路。因此，實現(xiàn)了短路金屬過渡。在實際短路終止之后使用等離子激發(fā)波形允 許對該脈沖焊接工藝的使用。之前在本文中關(guān)于脈沖序列描述的基本原理可以針對將合金化金屬集結(jié)、覆蓋或 硬質(zhì)焊敷到母體金屬上來提供例如耐腐蝕性或者提供耐磨性的特定應(yīng)用被調(diào)整或改進，所 述脈沖序列包括高峰值脈沖，短接清除段，等離子激發(fā)脈沖，和通過短路的金屬轉(zhuǎn)移。將合 金化金屬集結(jié)、覆蓋或硬質(zhì)焊敷到母體金屬上的標準實踐通常導致太多來自母體金屬的摻 合物進入焊接金屬。即，母體金屬被覆蓋或硬質(zhì)焊敷金屬稀釋，提供較差的耐腐蝕性或較差 的抗磨性。圖28圖示用合金化覆蓋材料2830覆蓋的示例性母體材料2810。在覆蓋工藝期 間，在母體材料2810和覆蓋材料2830之間產(chǎn)生摻合物層2820。所述覆蓋材料例如來自于 焊絲。所得摻合物是源于在覆蓋工藝期間覆蓋材料和母體金屬的反應(yīng)或者稀釋。例如，當用銅-鎳合金覆蓋鋼時，當用傳統(tǒng)脈沖機進行時，覆蓋可能裂開。這是因 為來自焊條焊絲的銅摻合物與來自銅的鐵組合，并且形成裂敏感的合金。通過采用本文描 述的原理來提供具有大幅度脈沖、小幅度本底電流以及特殊短接例程的高頻波形，可以解 決生成太多摻合物的問題。從峰值電流水平向本底電流水平的快速轉(zhuǎn)變，連同短接響應(yīng)和等離子激發(fā)脈沖， 降低達到良好金屬過渡所要求的熱輸入。較高的頻率還減小焊條和工件之間熔融金屬的焊 滴尺寸。從峰值電流水平向本底電流水平的快速轉(zhuǎn)變實質(zhì)上有助于熔融金屬的短路發(fā)生在 焊條和工件之間，暫時消除了電弧。傳統(tǒng)的方法通過電弧來過渡焊滴。根據(jù)本發(fā)明的實施 方案，焊滴的大多數(shù)在短接發(fā)生之前通過電弧過渡。然而，當電流快速降低時，在焊滴完全 從焊條尖端夾斷之前，熔池觸及焊滴并且創(chuàng)建短接。隨后表面張力將焊滴拉入熔池。隨后 使用等離子激發(fā)脈沖來再次向下推熔池，并且還在焊條上向上推動并且開始在焊條端部創(chuàng) 建下一焊滴。這防止第二次短接發(fā)生。如果發(fā)生第二次短接，則焊條在其尖端上將不再有 熔融區(qū)域，這使得操作不穩(wěn)定。如本文中關(guān)于圖24-27描述的方法允許焊滴的最后部分通過低功率短路(即沒有 電弧)進行過渡。電壓在短接期間為零伏特(或者近零伏特)，并且因此功率為零(或者近 零)。結(jié)果是，摻合物減少。圖24是由電弧設(shè)備所產(chǎn)生的周期性脈沖化波形2400的部分的第一示例性實施方 案的圖示，所述電弧設(shè)備用于通過將所述波形2400施加到包括合金化金屬的推進焊條和包括母體金屬的工件之間而以最少摻合物將合金化金屬集結(jié)、覆蓋或者硬質(zhì)焊敷到母體金 屬上。圖24示出了可能不發(fā)生短接的情況，盡管發(fā)生短接在減少或最少化摻合物的應(yīng)用中 是更期望的結(jié)果。波形2400是如所圖示的電流波形。波形2400包括具有峰值脈沖電流水平2420的第一峰值脈沖2410。第一峰值脈沖2410具有脈沖持續(xù)時間2430，例如，脈沖持續(xù)時間 2430被定義為從脈沖開始時刻0到對應(yīng)于峰值電流水平2420結(jié)束的時刻。波形2400的周 期2470定義了波形2400的重復部分之間的時間。還示出了更常規(guī)的波形2499 (并不適于 減少摻合物)以用于比較的目的。通過相對于低本底電流水平2460提供高峰值脈沖電流水平2420，波形2400被調(diào) 整以在將合金化金屬集結(jié)、覆蓋或者硬質(zhì)焊敷到母體金屬上的應(yīng)用中使摻合物最少化。波 形2400可以以例如700安培每毫秒的速度朝峰值脈沖電流水平2420升高約半毫秒的時 間。低本底電流水平2460可以比高峰值脈沖電流水平2420的15%低。此外，從峰值脈沖 電流水平2420朝本底電流水平2460的轉(zhuǎn)變可以以至少400安培每毫秒的速度發(fā)生。還將 與峰值脈沖電流水平2420相對應(yīng)的電壓水平保持為相對低。此外，脈沖持續(xù)時間2430是 周期2470相對小的片段。這種相對小的脈沖持續(xù)時間使脈沖中的能量保持為相對低，減小 了熱輸入，從而獲得良好的覆蓋過渡并減少摻合物。特別地，脈沖持續(xù)時間2430可以比周 期2470的20%短。例如，峰值脈沖電流水平2420在峰值電壓水平為24伏特時可以為380安培，本底 電流水平2460可以為45安培。脈沖持續(xù)時間2430可以是1. 4毫秒，周期可以為8. 0毫秒。 這種相對小的脈沖持續(xù)時間2430和朝本底電流水平的快速轉(zhuǎn)變(例如，以500安培每毫秒 的速度轉(zhuǎn)變)獲得期望的結(jié)果。在這些條件下，使用由銅/鎳制成并且直徑約為1.2mm的 焊絲，該焊條的推進速度可以例如是200英寸每分鐘或更高。圖25是由電弧設(shè)備所產(chǎn)生的周期性脈沖化波形2500的部分的第二示例性實施方 案的圖示，所述電弧設(shè)備用于通過將所述波形2500施加到包括合金化金屬的推進焊條和 包括母體金屬的工件之間而以最少摻合物將合金化金屬集結(jié)、覆蓋或者硬質(zhì)焊敷到母體金
jM —t ο同樣，波形2500是如所圖示的電流波形。波形2500圖示了更期望的情況，其中， 在焊條和工件之間發(fā)生熔融金屬的短接。因為焊條和工件之間的電壓變?yōu)榱?，并因此在?接期間所產(chǎn)生的動力或熱量變?yōu)榱?，所以引起短接是期望的，以幫助最少化任何產(chǎn)生的摻 合物。如果焊條上向上推的力(由于電弧電流而產(chǎn)生)小于焊條的向下推的力，則將有發(fā) 生短接的趨勢。波形2500包括具有峰值脈沖電流水平2520的第一峰值脈沖2510。第一峰值脈沖 2510具有脈沖持續(xù)時間2530，例如，脈沖持續(xù)時間2530被定義為從脈沖開始時刻0到對應(yīng) 于峰值脈沖電流水平2520結(jié)束的時刻。波形2500還包括短接清除斜坡2540和具有峰值 脈沖幅度2551的等離子激發(fā)脈沖2550。波形2500的周期2570定義了波形2500的重復部 分之間的時間。再一次通過相對于低本底電流水平提供高峰值脈沖電流水平2520，波形2500被 調(diào)整以在將合金化金屬集結(jié)、覆蓋或者硬質(zhì)焊敷到母體金屬上的應(yīng)用中減少或最少化摻合 物。波形2500可以以例如700安培每毫秒的速度朝峰值脈沖電流水平2520升高約半毫秒的時間。低本底電流水平可以比高峰值脈沖電流水平2520的15%低。此外，從峰值脈沖電 流水平2520朝本底電流水平的轉(zhuǎn)變可以以至少400安培每毫秒的速度發(fā)生。這種快速轉(zhuǎn)變速度促進焊條和工件之間熔融金屬的短接的發(fā)生。還將與峰值脈 沖電流水平2520相對應(yīng)的電壓水平保持為相對低。此外，脈沖持續(xù)時間2530是周期2570 相對小的片段。這種相對小的脈沖持續(xù)時間使脈沖中的能量保持為相對低，減小了熱輸入， 從而獲得良好的覆蓋過渡并減少摻合物。特別地，脈沖持續(xù)時間2530可以比周期2570的 20% 短。
例如，峰值脈沖電流水平2520在峰值電壓水平為24伏特時可以為380安培，本底 電流水平2460可以為45安培。然而，當發(fā)生短接時，在采用短接清除斜坡2540之前，實際 上可以或者可以不達到本底電流水平。脈沖持續(xù)時間2530可以是1. 4毫秒，周期可以為 8. 0毫秒。這種相對小的脈沖持續(xù)時間2530和朝本底電流水平的快速轉(zhuǎn)變(例如，以500 安培每毫秒的速度轉(zhuǎn)變)獲得期望的結(jié)果。在這些條件下，焊條的推進速度可以例如是200 英寸每分鐘或更高。圖26是在包括合金化金屬的推進焊條和包括母體金屬的工件之間使用一連串脈 沖來以最少摻合物將合金化金屬集結(jié)、覆蓋或者硬質(zhì)焊敷到母體金屬上的方法2600的示 例性實施方案的流程圖。在步驟2610，在維持推進焊條和工件之間的電弧的同時，在第一時 間段(time segment)內(nèi)增加輸出電流水平。電流的快速增加使得迅速開始夾斷熔融焊滴， 從而迅速開始金屬從焊條到工件的過渡，而不會引入過多熱量。在步驟2620，在維持推進焊 條和工件之間的電弧的同時，在第二時間段內(nèi)將輸出電流水平調(diào)節(jié)到峰值電流水平。在步 驟2630，在嘗試誘發(fā)推進焊條和工件之間熔融金屬的第一短接時，將輸出電流水平從峰值 電流水平朝本底電流水平降低。在步驟2640，將輸出電流水平調(diào)節(jié)到本底電流水平。在步 驟2650，確定第一短接發(fā)生。在步驟2660，如果已經(jīng)確定發(fā)生了短接，則將輸出電流水平坡 升到本底電流水平之上，直到短接被清除。在步驟2670，在第三時間段內(nèi)使輸出電流水平脈 沖化，以防止在將第一短接清除之后立即發(fā)生第二短接。對于所述一連串脈沖，可以以預定 義的脈沖重復率重復這些步驟。例如，參照圖24-26，電弧設(shè)備的輸出電流以700安培每毫秒的速度在約0. 5毫秒 (第一時間段)內(nèi)增加到峰值脈沖電流水平2420，峰值脈沖電流水平2420在約1. 0毫秒 (第二時間段)內(nèi)被調(diào)節(jié)到約380安培的峰值電流水平。隨后，在嘗試誘發(fā)推進焊條和工 件之間熔融金屬的第一短接時，輸出電流水平以基本指數(shù)方式迅速降低(例如，每0. 1毫秒 輸出電流水平減少一半)。如果本底電流水平2460例如是45安培，則輸出電流水平可以 在朝本底電流水平2460降低的大部分過程，降低至例如，約50安培(即，正好高于本底電 流水平)。如果未發(fā)生短接，則如圖24中所示，輸出電流水平被簡單地調(diào)節(jié)到本底電流水 平2460，直到下一峰值脈沖2410出現(xiàn)。將波形的電流水平迅速降至正好高于本底電流水平 (例如，降至50安培)，有助于防止將電流水平調(diào)至本底電流水平以下(例如，降至45安培 以下)，這可能導致電弧“彈出”并在集結(jié)、覆蓋或硬質(zhì)焊敷過程中造成不期望的影響。通過 例如每十分之一毫秒將電流水平減小10%，可以更緩慢地完成電流水平到本底電流水平的 調(diào)節(jié)(例如，從50安培到45安培)。如果短接發(fā)生并被檢測到，則輸出電流水平向上坡升2540 (見圖25)，直到將短接 清除(即，直到熔融焊滴與焊條尖端分離，并被帶入工件上的熔池內(nèi))。一旦將短接清除，在約為ο. 3毫秒的第三時間段內(nèi)將輸出電流水平脈沖化，生成具有峰值脈沖幅度2551的等離 子激發(fā)脈沖2550。等離子激發(fā)脈沖2550防止在發(fā)生了第一短接之后馬上的同一周期內(nèi)發(fā) 生第二短接，并幫助調(diào)節(jié)用于下一峰值脈沖的焊條尖端(即，開始熔融焊條的尖端)。同樣 地，因為焊條和工件之間的電壓變?yōu)榱?，并因此在短接期間所產(chǎn)生的動力或熱量變?yōu)榱悖?以引起短接是期望的，以幫助最少化任何產(chǎn)生的摻合物。圖8、圖11、圖14和圖19的任何電弧焊機在這里都可以被修改(例如，被編程) 來實現(xiàn)方法2600。根據(jù)其他實施方案，也可以使用這些電弧設(shè)備的其他變形。
例如，參照圖8，用于在重復周期生成具有峰值脈沖電流水平和比重復周期的 20%短的脈沖持續(xù)時間的第一脈沖的裝置包括波形生成器50、定時器52和動力變換器10 的組合。用于通過以至少400安培每毫秒的速度將峰值脈沖電流水平大約減小到比峰值脈 沖電流水平的15%低的本底電流水平，來誘發(fā)推進焊條和工件之間熔融金屬的短接的裝置 包括波形生成器50、定時器52和動力變換器10的組合。用于在第一脈沖之后生成短接清除段或斜坡以將所誘發(fā)的短接清除的裝置包括 電壓反饋傳感器34、求和電路60、短接響應(yīng)電路40和動力變換器10的組合。用于在短接 清除斜坡之后生成等離子激發(fā)脈沖的裝置包括等離子激發(fā)輪廓電路350、定時器360和動 力變換器10的組合。用于以對應(yīng)于重復周期的速率依次重復第一脈沖的生成、誘發(fā)短接、 生成短接清除斜坡以及生成等離子激發(fā)脈沖的裝置包括定時器52。產(chǎn)生的波形(例如2400)的某些特性可能例如由于焊接線纜感生的電感而受焊接 線纜的影響。例如，如果所感生的電感太高，則朝本底電流水平的下降時間可能受不利影響 (即，可能變得太長)。長下降時間導致電流從峰值朝本底值變化的速度降低。因此，當配 置焊接動力源、焊接工具(例如，焊炬和推進焊絲)以及工件之間的焊接電路路徑時，應(yīng)該 要謹慎操作。圖27是用于實現(xiàn)圖26的方法的電弧設(shè)備2700的示例性實施方案的簡化功能框 圖。電弧焊機2700包括周期性脈沖化波形段生成功能性2710，用于以脈沖重復速度生成 并調(diào)節(jié)高峰值脈沖電流段和本底電流段。周期性脈沖化波形段功能性2710建立從高峰值 脈沖電流水平到低本底電流水平的快速轉(zhuǎn)變速度。電弧焊機2700還包括短接檢測功能 性2720，用于檢測焊條和工件之間電弧上的短接；和短接清除段生成功能性2730，用于將 所檢測到的短接清除。電弧焊機2700還包括信號求和功能性2740，用于對脈沖化波形段生 成功能性2710和短接清除段生成功能性2730生成的信號進行求和。電弧設(shè)備2700還包括等離子激發(fā)段生成功能性2750，用于響應(yīng)于短接的清除而 生成等離子激發(fā)脈沖。電弧焊機2700還包括信號切換功能性2760，用于允許來自信號求和 功能性2740的信號和來自等離子激發(fā)段生成功能性2750的信號之間的切換。信號切換功 能性2760將切換的信號引導到生成最終合成動力波形(S卩，電流波形)的動力生成功能性 2770，所述合成動力波形在集結(jié)、覆蓋或硬質(zhì)焊敷操作期間被提供給焊條和工件。合成動力 波形包括高峰值脈沖段、本底段、短接清除段以及等離子激發(fā)段，如本文之前所描述。已經(jīng)描述了數(shù)種脈沖設(shè)備和集結(jié)、覆蓋與硬質(zhì)焊敷方法。根據(jù)制造商和/或使用 者需要，可以組合或排除各種設(shè)備和方法的特征。應(yīng)當預見到，在未呈現(xiàn)技術(shù)不一致性的其 他實施方案中，將使用來自一個實施方案的某些修改。概括而言，本文公開了電弧設(shè)備和使用電弧設(shè)備進行以下操作的方法在包括合金化金屬和母體金屬的推進焊條和工件之間使用一連串脈沖來將合金化金屬集結(jié)、覆蓋或 者硬質(zhì)焊敷到母體金屬上。該電弧設(shè)備中采用的方法提供了高頻集結(jié)、覆蓋或者硬質(zhì)焊敷 波形，所述波形具有高幅度脈沖、低幅度本底電流和特殊的短接例程，以緩解生成太多摻合 物的問題。高頻、從峰值電流水平朝本底電流水平的快速轉(zhuǎn)變，連同短接響應(yīng)和等離子激發(fā) 脈沖，減小了焊滴大小，并且減小了獲得良好焊接過渡所需的熱量輸入。盡管已經(jīng)參照特定實施方案描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以進 行各種改變并且等同方案可以被替代，而不偏離本發(fā)明的范圍。另外，可以進行許多修改來 使特定情形或材料適用于本發(fā)明的教導，而不偏離其范圍。因此，并不意圖將本發(fā)明限制于 所公開的特定實施方案，本發(fā)明將包括落入所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的所有實施方案。標號2信號102脈沖3信號104部分4信號106斜坡7信號108部分9信號110線路10動力源或變換器120電壓曲線11定時信號122點12輸出引線130脈沖14輸出引線132線路16電源142信號或斜坡18形狀輸入150波形信號22分流器150a部分脈沖24線路150b下一脈沖26傳感器200焊條28模擬輸出或線路202鋼套30引線204內(nèi)芯32引線206保護氣體34電壓傳感器210焊條36檢測輸出或線路212外套38幅度輸出或電平輸出214內(nèi)芯40向應(yīng)電路220焊絲42輸出或線路222保護氣體50波形生成器300曲線52定時器302間隔的脈沖或峰值54線路304本底部分56線路306生成部分60加法器或求和節(jié)點308生成部分62輸出或線路310電壓曲線100曲線312檢測點
314清除點500電路320激發(fā)脈沖502輸入322峰值部分504輸出324下降沿600激發(fā)脈沖326尖滅部分600a輪廓350輪廓電路602脈沖部分352線路604本底部分354輸出608重置線路360定時器610部分362線路612時間364線路620中斷370開關(guān)700預兆電路372接觸702輸入374中斷接觸704輸出380脈沖710波形382斜坡信號712電弧部分384超時位置714等離子部分390脈沖720脈沖392脈沖730部分400線路732此時起始410波形734傾斜部分412脈沖部分736第二傾斜部分414電流部分742尖滅部分416時間744電流416a新的點800曲線420脈沖802脈沖422線路806電流階段424 位置810 點426 時間812 點430時間820曲線440輪廓830脈沖455功率波832峰值階段834電流水平2610步驟842 點2620 步驟850 波形2630 步驟852脈沖部分2640步驟854尖滅部分2650步驟862傾斜部分2660步驟864傾斜部分2670步驟
900脈沖2700電弧焊機902部分2710生成功能性904電流丘2720檢測功能性910點2730生成功能性912點2740求和功能性920時延2750生成功能性930激發(fā)脈沖2760切換功能性932本底電流2770生成功能性2400脈沖化波形2810母體材料2410峰值脈沖2820摻合物層2420電流水平2830覆蓋材料2430脈沖持續(xù)時間2460電流水平A電弧焊機2470周期B焊機2499常規(guī)波形C焊機2500脈沖化波形D焊機2510峰值脈沖E焊條2520電流水平F焊機2530脈沖持續(xù)時間 G間隙或焊機2540清除斜坡M熔融金屬或金屬球2550等離子激發(fā)脈沖P熔池2551幅度R時間2570周期V位置2600方法W工件
權(quán)利要求
一種通過在包括合金化金屬的推進焊條和包括母體金屬的工件之間生成一連串電弧脈沖來以最少摻合物將所述合金化金屬覆蓋或者硬質(zhì)焊敷到所述母體金屬的方法，所述方法包括(a)在第一時間段增加輸出電流水平；(b)在第二時間段將所述輸出電流水平調(diào)節(jié)到峰值電流水平；(c)在嘗試誘發(fā)所述推進焊條和所述工件之間熔融金屬的第一短接時，將所述輸出電流水平從峰值電流水平朝本底電流水平降低；(d)將所述輸出電流水平調(diào)節(jié)到所述本底電流水平；(e)確定所述第一短接是否發(fā)生；(f)如果已經(jīng)確定發(fā)生了所述短接，則將所述輸出電流水平坡升到所述本底電流水平之上，直到所述短接被清除；(g)在第三時間段內(nèi)使所述輸出電流水平脈沖化，以防止在將所述第一短接清除之后直接發(fā)生第二短接；以及(h)對于所述一連串脈沖，以預定義的脈沖重復率重復步驟(a)到(g)。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中所述輸出電流水平的所述增加以約700安培每毫秒的速 率發(fā)生。
3.如權(quán)利要求1或2的方法，其中所述第一時間段約為半毫秒。
4.如權(quán)利要求1-3中任一的方法，其中所述峰值電流水平約為380安培。
5.如權(quán)利要求1-4中任一的方法，其中所述第二時間段約為一毫秒。
6.如權(quán)利要求1-5中任一的方法，其中所述輸出電流水平的所述降低以至少400安培 每毫秒的速率發(fā)生。
7.如權(quán)利要求1-6中任一的方法，其中所述本底電流水平約為45安培。
8.如權(quán)利要求1-7中任一的方法，其中所述第三時間段約為三分之一毫秒。
9.如權(quán)利要求1-8中任一的方法，其中所述預定義的脈沖重復率約為125赫茲。
10.如權(quán)利要求1-9中任一的方法，其中所述推進焊條以至少200英寸每分鐘的速率推進。
11.如權(quán)利要求1-10中任一的方法，其中所述母體金屬包括鋼，并且所述合金化金屬 包括銅和鎳。
12.如權(quán)利要求1-11中任一的方法，其中所述第一時間段和所述第二時間段的和小于 所述一連串脈沖的脈沖周期的20%。
13.如權(quán)利要求1-12中任一的方法，其中所述本底電流水平低于所述峰值電流水平的 15%。
14.如權(quán)利要求1-13中任一的方法，其中與所述峰值電流水平相對應(yīng)的峰值電壓水平 約為24伏特。
15.一種用于通過在包括合金化金屬的推進焊條和包括母體金屬的工件之間生成一連 串電弧脈沖來以最少摻合物(2820)將所述合金化金屬(2830)覆蓋或者硬質(zhì)焊敷到所述母 體金屬(2810)的電弧設(shè)備，所述電弧設(shè)備包括用于生成第一電流脈沖的裝置，其中所述第一電流脈沖具有峰值電流水平和脈沖寬度；用于通過以第一速率將所述峰值脈沖電流水平降低到大約本底電流水平來誘發(fā)所述推進焊條和所述工件之間熔融金屬的第一短接的裝置；用于在所述第一電流脈沖之后生成短接清除電流段來清除所述第一誘發(fā)短接的裝置；用于防止第二短接在所述第一短接之后發(fā)生的裝置；以及用于以預定義的重復率連續(xù)地重復所述第一脈沖的所述生成、所述第一短接的所述誘 發(fā)、所述短接清除電流段的所述生成以及對所述第二短接的所述防止的裝置。
全文摘要
用于以最少摻合物(2820)將合金化金屬集結(jié)、覆蓋(2830)、結(jié)合或蓋覆到母體金屬(2810)的電弧設(shè)備和方法。在電弧設(shè)備中采用的方法提供具有高幅度脈沖、低幅度本底電流的高頻波形以及特殊的短接例程，以緩解生成太多摻合物的問題。從峰值電流水平向本底電流水平的快速轉(zhuǎn)變，連同短接響應(yīng)和等離子激發(fā)脈沖，減小了焊滴的尺寸，并且降低了實現(xiàn)良好焊接性能所需的熱輸入。
文檔編號B23K9/09GK101808772SQ200880109146
公開日2010年8月18日 申請日期2008年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月26日
發(fā)明者B·E·富爾默, J·E·赫恩, M·J·莫洛克, S·R·彼得斯 申請人:林肯環(huán)球股份有限公司