在焊接接頭中用自動操控執(zhí)行電弧焊接的電弧焊接系統(tǒng)和方法
【專利說明】在焊接接頭中用自動操控執(zhí)行電弧焊接的電弧焊接系統(tǒng)和方法
[0001]本申請是美國專利申請N0.13/438，703的部分繼續(xù)申請，并且要求對該美國專利申請N0.13/438，703的優(yōu)先權(quán)，該美國專利申請通過引用被整體地并入本申請。
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。某些實施方案涉及電弧焊接應(yīng)用。更特別地，某些實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]在比如氣體保護鎢極電弧焊(GTAW)、氣體保護金屬極電弧焊(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)于焊接槽壁沒有被恰當(dāng)?shù)囟ㄎ?，焊縫質(zhì)量將被不利地影響。例如，因為焊接槽側(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遠離側(cè)壁，填充材料將不會相對于側(cè)壁被恰當(dāng)?shù)乇蝗鄯?。進一步地，甚至在焊接過程的開始已經(jīng)被恰當(dāng)?shù)囟ㄎ坏木骖^在焊接過程期間可能需要被再調(diào)整。這是因為工件側(cè)壁的對準(zhǔn)可能不是筆直且準(zhǔn)確的，并且炬頭關(guān)于焊接槽側(cè)壁的相對位置可能改變，即，隨著炬頭行進焊接槽的長度，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，由于機械加工焊接槽中的偏差，焊接槽的寬度也可以沿其長度變化。因此，為補償焊接槽中的不對準(zhǔn)和寬度變化，在使用機械振蕩、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“自動化的”焊接過程中，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的其余部分中提出的本發(fā)明的實施方案相比較，對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，這樣的途徑的進一步的限制和缺點將變得明顯。
[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。通過根據(jù)權(quán)利要求1的具有自動化電弧操控的電弧焊接系統(tǒng)，以及通過根據(jù)權(quán)利要求9的用電弧操控執(zhí)行電弧焊接的方法，這種問題被解決。本發(fā)明的進一步的實施方案是從屬權(quán)利要求的主題。本發(fā)明的實施方案包括在用于在針對電弧焊接/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)明的一些示例性實施方案包括自動化電弧操控系統(tǒng)，所述自動化電弧操控系統(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)定值可以是針對焊接槽中給定點用于電弧和/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的反饋系統(tǒng)?？刂茊卧敵鰧?yīng)于所述監(jiān)測的反饋信號。控制單元還包括將反饋信號與至少一個預(yù)定值相比較的比較電路，所述預(yù)定值對應(yīng)于電弧和炬頭中的至少一個在焊接槽中的位置?？刂茊卧M一步包括輸出基于所述比較的操控信號的電弧操控系統(tǒng)。操控信號被使用來控制電弧和炬頭中的至少一個在焊接槽中的位置。根據(jù)本方法的優(yōu)選的實施方案，所述反饋信號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]在一些實施方案中，所述方法包括用炬頭在形成于至少一個工件中的焊接槽中創(chuàng)建電弧。所述方法還包括監(jiān)測電弧的電壓、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，并且輸出對應(yīng)于所述監(jiān)測的反饋信號。所述方法進一步包括將反饋信號與至少一個預(yù)定值相比較，所述至少一個預(yù)定值對應(yīng)于電弧和炬頭中的至少一個在焊接槽中的位置，并且輸出基于所述比較的操控信號。所述方法此外包括基于操控信號控制電弧和炬頭中的至少一個在焊接槽中位置。
[0009]從以下描述和附圖將更完整地理解所要求保護的本發(fā)明的這些和其他特征，以及本發(fā)明圖示說明的實施方案的細節(jié)。
[0010]附圖簡要說明
[0011]參考附圖，通過詳細描述本發(fā)明的示例性實施方案，本發(fā)明的上述和/或其他方面將會更加明顯，在附圖中:
[0012]圖1A和圖1B圖示說明系統(tǒng)的示例性實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；
[0013]圖2A-2D圖示說明可以由圖1A和圖1B的系統(tǒng)生成的示例性震蕩圖案；
[0014]圖3圖示說明系統(tǒng)的示例性實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；
[0015]圖4圖示說明圖3的截面AA的展開圖；
[0016]圖5圖示說明可以使用圖3的系統(tǒng)來焊接的示例性焊接接頭；以及
[0017]圖6圖示說明在示例性焊接接頭中的電弧擺動的各種點處的示例性電弧電壓值。
[0018]詳細描沐
[0019]現(xiàn)在通過參考附圖，以下將描述本發(fā)明的示例性實施方案。所描述的示例性實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)號全部指示相似的要素。
[0020]圖1A和圖1B圖示說明用于焊接/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“接觸(touch)”啟動電弧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)置來具有正極性或負極性二者之一。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或遠離極135 二者之一。在一些實施方案中，磁電弧振蕩器系統(tǒng)130還可以改變磁場強度以控制電弧110的偏轉(zhuǎn)量。磁電弧振蕩系統(tǒng)130可以被配置來振蕩電弧110以生成如由箭頭132示出的擺動運動(“電弧擺動”)。電弧擺動132可以被使用來通過生成交織圖案(weaving patterns)改進焊道(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，電弧振蕩可以被控制來充分地穿入較厚工件同時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圖案。當(dāng)然，本發(fā)明不限于圖示說明的電弧擺動圖案，并且生成期望焊縫交織圖案的任何電弧擺動圖案可以被使用。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N0.13/438，703中被公開，申請N0.13/438，703通過引用被整體地并入本申請。因此，磁電弧振蕩技術(shù)將不被進一步討論。
[0022]如圖1B中所圖示說明的，系統(tǒng)100可以進一步包括機械操控裝置180。機械操控裝置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，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的相對位置是恒定的。因此，機械操控裝置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。在一些實施方案中，類似于磁電弧振蕩系統(tǒng)130，機械操控裝置可以被使用來振蕩炬頭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，