CN105579177B

CN105579177B - 涉及调节电极的伸出端的焓的材料加工方法和系统

Info

Publication number: CN105579177B
Application number: CN201480053005.9A
Authority: CN
Inventors: 凯文·迈克尔·斯科特; 理查德·马丁·哈奇森
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2018-12-21
Anticipated expiration: 2034-09-12
Also published as: EP3049211B1; CN105579177A; US20150083702A1; US20210086308A1; US10828728B2; EP3049211A1; WO2015047759A1

Abstract

一种材料加工系统，包括电源(10)和使用于材料加工操作的丝电极进给的焊丝进给器(12)。电极尖端区域的焓和/或温度经由闭环控制保持基本上恒定。该控制可以基于对施加于电极的电流的调节。对电流的控制可以基于电极伸出长度误差。也可以控制焊丝进给速度以帮助在电极尖端附近保持基本上恒定的焓和/或温度。

Description

涉及调节电极的伸出端的焓的材料加工方法和系统

背景技术

本发明总体上涉及焊接机，并且更具体而言涉及一种被配置成在执行材料加工操作之前对电极材料进行预热操作的焊接机。

各式各样的材料加工系统和材料加工控制方式已经被实施用于各种用途。在连续材料加工操作中，气体保护金属极弧焊(GMAW)技术、和被称为惰性气体保护焊(MIG)技术的特殊类通过使由惰性气体保护的材料加工焊丝从材料加工焊炬开始进给而能够形成连续的焊道。向材料加工焊丝施加电力并且电路穿过工件完成，以维持使焊丝和工件熔化从而形成所需焊缝的电弧。在相关技术中，可以在没有保护气的情况下使用药芯焊丝。

高级形式的MIG材料加工基于材料加工电源中脉冲电力的生成。即，可以实施各种脉冲方式，其中，电流和/或电压脉冲由电源控制电路命令以调节来自材料加工焊丝的金属熔滴的形成和沉积，从而维持焊池所需的加热和冷却曲线，控制焊丝与焊池之间的短路等等。然而，存在并且常使用提供不是脉冲的电力的其他材料加工方式。各种方式可以依赖于“电极正”或“电极负”极性，并且本公开可以与所有这些中的任何内容相关。

在一些金属材料加工应用中，可以通过所谓的“热焊丝”工艺来制作接头。在这些工艺中，电极材料被加热，并且在材料与工件之间通常不形成电弧。然后，利用热源来使材料熔化和熔融。这种热源可以包括(例如)激光、电子束、GMAW热源等等。

虽然在许多应用中非常有效，但传统控制方法对于热焊丝工艺而言并不适当。例如，传统调节方案(“恒定电流”或“CC”、和“恒电压”或“CV”)不能保持所需的电极丝温度，因为控制反馈变量不一定与焓直接相关联。具体而言，在稳态下运行的热焊丝工艺中，增加电极伸出长度将会增加到系统的那个区域上下降的电压。在CV控制方案中，机器将会通过减小电流做出反应以保持所设定的电压。这降低了焊丝末端处的焓。使用CC方案，电源保持所设定的电流同时能够使电压浮动。如果增加电极伸出长度，焊丝焓将增加。

因此，需要能够直接控制关键工艺参数的专业热焊丝策略。

发明内容

本公开涉及被设计成响应于这种需要的方法和系统。根据某些方面，一种材料加工方法包括：使电极前进至工件以开始材料加工操作；并且在材料加工操作过程中调节电极的伸出端的焓。

根据本公开的另一方面，一种材料加工方法包括：使电极前进至工件以开始材料加工操作；并且在材料加工操作过程中调节施加于电极的电流以调节电极的伸出端的焓和/或温度。

本公开还提供了一种材料加工系统，该材料加工系统包括：电源，该电源被配置成为材料加工提供电力；电极丝进给器，该电极丝进给器被配置成在材料加工操作过程中使电极丝前进；以及控制系统，该控制系统被配置成在材料加工操作过程中调节电极的伸出端的焓。

附图说明

当参照附图阅读以下详细说明时，将会更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优势，其中，贯穿附图，相同的符号表示相同的零件，在附图中：

图1是示例性材料加工系统的图解表示，图示了电源联接至焊丝进给器以用于进行材料加工操作，其中，在焊接开始之前加热电极；

图2是图1中所示的类型的材料加工电源的示例性控制电路部件的图解表示；

图3是图示了一个过程中的示例性步骤的流程图，其中，在材料加工过程中控制电极的焓和/或温度；

图4是材料加工过程中的电极的详细视图，其中根据本公开进行控制；并且

图5和图6是在所公开的控制过程中所依赖的某些关系的图示。

具体实施方式

现在转到附图，并且首先参照图1，示例性材料加工系统被图示为包括经由导线或导管14相互联接的电源10和焊丝进给器12。在所图示的实施例中，电源10与焊丝进给器12分开，这样使得该焊丝送丝装置可以在距离电源某一距离处被定位在材料加工位置附近。然而，应理解，在一些实施方式中，焊丝进给器可以与电源成为一体。在这类情况下，导管14在系统内部。在焊丝进给器与电源分开的实施例中，端子通常设置在电源上和焊丝进给器上，从而导线或导管能够联接至系统，以便电力和气体从电源被提供给焊丝进给器，并且能够在两个设备之间交换数据。

该系统被设计成向材料加工焊炬16提供焊丝、电力，并且在一些实施例中，提供保护气。如本领域的技术人员将领会的，材料加工焊炬可以具有许多不同的类型，并且通常能够使材料加工焊丝和气体进给至与工件18相邻的位置，在该位置，将形成焊缝或覆层以接合或覆盖两件或更多件金属。第二导线通常穿过此材料加工工件以便在电源与工件之间完成电气电路。

该系统被设计成能够由操作员特别是经由设置在电源上的操作员界面20选择数据设置。该操作员界面通常将会并入电源的前面板中，并且能够选择设置，如焊接工艺、待使用的焊丝类型、电压和电流设置等等。具体而言，该系统被设计成能够用各种材料进行材料加工，包括钢、不锈钢、镍基合金或通过焊炬的其他材料加工焊丝。这些焊接设置被传达至电源内的控制电路22。

以下更详细描述的控制电路操作用于控制施加于材料加工焊丝的材料加工电流以便实施所需的材料加工操作。在某些目前设想到的实施例中，例如，该控制电路可以被适配成调节材料加工电极的加热并且用于在材料加工过程中保持电极的焓和/或温度。如以下更全面描述的，这种加热可以通过改变操作参数来加以控制，如，例如通过材料加工电缆和焊炬施加于电极的电流和/或焊丝进给速度。

因此，该控制电路联接至电力转换电路24。这个电力转换电路被适配成产生输出电力，如将会最终施加于焊炬处的材料加工焊丝的脉冲和非脉冲波形。可以采用各种电力转换电路，包括斩波器、升压电路、降压电路、逆变器、转换器等等。这种电路的配置可以是其本身领域内普遍已知的类型。电力转换电路24如箭头26所指示联接至电气电源。尽管可以使用其他电源，如发动机驱动的发电机、蓄电池、燃料电池或其他替代源生成的电力，但施加于电力转换电路24的电力可以源自于电网。最后，图1中图示的电源包括被设计成能够使控制电路22与焊丝进给器12交换信号的接口电路28。

焊丝进给器12包括联接至接口电路28的互补接口电路30。在一些实施例中，多引脚接口可以设置在部件和在接口电路之间延伸的多导线电缆两者上，从而使如焊丝进给速度、工艺、所选择的电流、电压或功率级等信息能够在电源10、焊丝进给器12任一者或两者上被设定。

焊丝进给器12还包括联接至接口电路30的控制电路32。如以下更全面描述的，控制电路32能够根据操作员的选择来控制焊丝进给速度，并且准许经由接口电路将这些设置回馈给电源。控制电路32联接至焊丝进给器上的操作员界面34，该操作员界面能够选择一个或多个材料加工参数，特别是焊丝进给速度。该操作员界面还能够选择如工艺、所用的焊丝类型等参数。控制电路32还可以联接至对至焊炬的保护气的流动进行调节的气体控制装设阀门36。一般而言，在材料加工时提供这种气体，并且在焊接之前立即开始其流动并且在焊接之后持续片刻。应用于气体控制装设阀门36的气体通常以加压瓶的形式提供，如参考数字38所表示。

焊丝进给器12包括用于在控制电路36的控制下使焊丝进给至材料加工焊炬并由此进给至材料加工应用的部件。例如，材料加工焊丝40的一个或多个卷轴被容装在焊丝进给器中。材料加工焊丝42从卷轴上绕开并且渐进地进给至焊炬。卷轴可以与当焊丝要进给至焊炬时使卷轴脱离的离合器44相关联。还可以调节该离合器以保持最小摩擦水平，从而避免卷轴自由旋转。提供了进给电机46，该进给电机与进给辊子48接合以便将焊丝从焊丝进给器朝焊炬推动。实际上，辊子48之一机械地联接至电机并且通过该电机旋转从而从焊丝进给器驱动焊丝，同时配合辊子朝焊丝偏置以保持两个辊子与焊丝之间的良好接触。一些系统可以包括多个这种类型的辊子。最后，可以提供转速计50以用于检测电机46、辊子48或任何其他相关联部件的速度，以便提供对实际焊丝进给速度的指示。来自转速计的信号被回馈至控制电路36，如用于如下所述的校准。

应注意的是，还可以实施其他系统布置和输入方案。例如，可以从大容量容器(例如，滚筒)开始或从焊丝进给器之外的一个或多个卷轴开始进给材料加工焊丝。类似地，可以从“卷轴枪”进给焊丝，在该卷轴枪中，卷轴安装在材料加工焊炬上或其附近或者经由推/拉或推/推式机构来进给。如本文中所指出的，焊丝进给速度设置可以经由焊丝进给器上的操作员输入34或电源的操作员界面20上的操作员输入34或其两者来输入。在材料加工焊炬上具有焊丝进给速度调整机构的系统中，这可以是用于设置的输入。

来自电源的电力通常借助于材料加工电缆52以常规方式施加到焊丝上。类似地，通过焊丝进给器和材料加工电缆52使保护气体进给。在材料加工操作过程中，使焊丝通过材料加工电缆护套朝焊炬16前进。在焊炬内，附加牵引式电机54可以配备有相关联的驱动辊子。电机54被调节成提供以下更全面描述的所需焊丝进给速度。焊炬上的触发器开关56提供被回馈至焊丝进给器的信号并且从其回到电源，使操作员能够开始和停止材料加工过程。应注意的是，取决于该过程如何实施，可以由操作员或自动化系统开始该过程。即，当该过程开始后，气体流动开始，焊丝前进，电力施加于材料加工电缆52并且通过焊炬到达前进的材料加工焊丝。以下还更详细地描述了这些过程。最后，工件电缆和夹子58能够通过材料加工焊炬、电极(焊丝)、和工件从电源关闭电路以便维持材料加工操作。

贯穿本讨论内容，应注意的是，虽然可以由操作员“设定”焊丝进给速度，但控制电路所命令的实际速度通常将会由于许多原因而在材料加工过程中变化。例如，用于“准备期”(焊丝开始进给以便引弧)的自动化算法可以使用从所设定的速度中导出的速度。类似地，可以在材料加工过程中控制焊丝进给速度的各种斜坡式增加和减小。其他材料加工工艺可能要求“成坑”阶段，在这些阶段中，改变焊丝进给速度以填充焊接之后的凹陷。再进一步地，在脉冲材料加工方式中，可以定期或周期性地改变焊丝进给速度。

图2图示了被设计成在图1中所图示的类型的系统中运行的控制电路22的示例性实施例。此处，参考数字60表示的整个电路包括以上讨论的操作员界面20和用于将参数传达至下游部件(如焊丝进给器、材料加工焊炬、和各种传感器和/或致动器)和从下游部件传达参数的接口电路28。该电路包括处理电路62，该处理电路可以包括一个或多个专用或通用处理器，该一个或多个处理器被设计成实施材料加工方式，针对在材料加工方式中实施的波形进行计算等等。该处理电路与驱动电路64相关联，该驱动电路将来自处理电路的控制信号转换成应用于电力转换电路24的电力电子开关的驱动信号。一般而言，驱动电路对来自处理电路的这种控制信号做出反应以允许电力转换电路针对材料加工方式生成受控波形。处理电路62还将会与存储电路66相关联，该存储电路可以由一种或多种类型的永久和临时数据存储器组成，如用于提供所实施的材料加工方式，存储材料加工参数，存储工艺设置，存储错误日志等等。

在图示的热焊丝系统中，外部电源提供热量用于使电极材料和/或工件熔化和熔融以便形成接头或覆层。图1中的字母E指示的这个外部电源可以基于一系列可用技术中的任意技术，包括激光、电子束、GMAW焊接工艺等等，然而，本控制技术并不旨在局限于任何具体的电源类型或加热类型。

在图2中所图示的实施例中，该方案由处理电路62实施的编程协议实施。也就是说，材料加工方式协议可以包括任何已知的或未来开发的材料加工程序，并且可以与如参考数字68指示的各种外部热源和协议一起使用。提供了热焊丝控制协议，该热焊丝控制协议可以一直使用，或者可以仅在被操作员选择时才使用，如参考数字70所指示。实际上，可以实施该协议，并且当需要时，在整个材料加工操作过程中实施。基于这些协议生成的波形可以仅由软件、硬件、和/或处理电路实施的和/或形成所图示的控制和驱动电路的一部分的固件产生。控制协议通常将利用来自传感器的反馈和输入。这些输入可以包括焊接设置、预编程逻辑、以及在材料加工过程中接收的来自传感器72的输入。感测到的参数通常将包括(例如)施加于材料加工焊炬并且通过该焊炬施加于电极的电流和电压。

图3图示了恒定焓或恒定温度材料加工技术的实施方式的示例性逻辑。在典型的工艺中，材料加工操作员将会进行某些选择来定义如参考数字74概括指示的材料加工设置、外部热源设置等等。这类选择可以包括材料加工焊丝进给速度、微调值等等。可以在电源上、在焊丝进给器上或两者上做出这些选择。在步骤76，当需要时，操作员可以选择进行本公开中所描述的恒定焓和恒定温度材料加工工序。而且，虽然描述了手动材料加工系统，但可以在自动化(例如，机器人)系统中进行相同的材料加工工艺。

在步骤78，工件、电缆和其他系统部件准备好执行所需过程。然后在步骤80可以开始该过程。此时，如在步骤82处所指示，执行周期性重复的材料加工控制序列。如下所述，可以针对通过控制一个或多个材料加工参数(如电流和/或焊丝进给速度)将电极加热到所需焓或温度水平而设想到若干情景。如在步骤84处所指示，该逻辑在材料加工操作过程中进行循环，其中系统确定适当的电流和/或焊丝进给速度(以及任何其他受控参数)，直至材料加工操作终止，如在步骤84处所指示。

图4表示在材料加工过程中退出材料加工焊炬的接触尖端88的材料加工电极丝86。电极86在操作过程中被消耗，并且因此被使得以所需焊丝进给速度前进，如参考数字90所指示。在电极与焊接熔池94之间建立桥92，该焊接熔池将会含有电极的元件以及在材料加工过程中熔融的工件。根据本技术，电极的尖端96、或更一般而言是该尖端的附近通过所公开的控制而被保持在相对恒定的焓和/或温度。据信这种控制增强了焊接质量和一致性。可以通过由外部热源E增加热量来形成熔融接头或覆层，这可以在与热焊丝控制方式协调控制下操作或单独地操作。

针对处于不同焊丝进给速度的给定焊丝，处于所需焊丝焓的阻抗通常与电极从接触尖端的伸出长度线性相关。这对焊丝进给速度有微妙依赖，但对于本用途而言，这种依赖通常可以被忽略。图5中示出了这种关系。在这个图中，图示了使电极阻抗100与电极伸出长度102相关的迹线98。针对不同焊丝的这些迹线(例如)104和106的斜率可以被称为“线性阻抗”，具有欧姆/长度单位，并且用符号λ表示。在所需焊丝焓下，λ可以按以下关系实施：

式中，EE是电极伸出长度(其可以根据已知技术在该过程中计算)，I是热焊丝电流(通常由一个或多个传感器检测)，D_w是材料加工电极的直径(基于所选择的电极丝而知晓)，τ是电极材料的线性流速(焊丝进给速度)，p_w是室温下电极材料的密度(也基于所选择的电极丝而知晓)，H_f是电极材料的最终所需总焓，并且H₀是电极材料的初始焓(通常对于工艺和电极而言是固定的，其中初始焓基于所估计或感测的环境温度或温度范围被合宜地假定)。

而且，焓通过比热容与温度相关，并且由图6概括地表示。在这个图中，图示了电极末端处的焓H110与同一位置处的温度T 112之间的关系108。对于许多工程合金而言，该关系示出了大体上线性的部分114达到熔融过渡温度116，然后再次变得大体上是线性的，如部分118所指示。

在本上下文中，控制可以被认为是恒定焓或者恒定温度。然而，焓(而不是温度)的使用是方便的，因为固有地解释了比热与温度的非线性关系以及可能发生的固态相位转换。如果要定义温度而不是焓，则根据温度[c_p(T)]变化的比热容将会是已知的。

以上方程1可以被重写为：

式中，I是该过程的反馈电流。此处同样，这将会是所感测的参数，并且用于这种用途的传感器可以设置在以上讨论的系统中的任意方便的点处。完整定义了方程2，因此设定了能够根据1/I²变化的“理想”电极伸出长度。将方程2与通过下式得出的瞬时电极伸出长度进行比较：

在目前设想到的实施例中，产生了误差，其乘以增益因数并且被转换成电流变化：

(EE_actual-EE_ideal)k_p＝ΔI (4)

＝ε_EEk_p＝ΔI (5)

方程4和5仅表示比例增益，但可以基于同一误差来另外实施积分和/或微分增益(或任意组合)以适应于τ的相对变化。这种方法使焊丝焓能够保持大致恒定而不受电极伸出长度变化约束。因此，被实施用于获得所需焓的控制可以基于对施加于电极丝的电流的调节。应注意的是，焊丝进给速度还可以被调节以帮助保持所需焓和/或温度。

可以注意的是，理想的焊丝焓不会导致电阻触点或次级电缆布线上的电压降。可能可取的是通过向所计算的焊丝焓添加“微调”项来对此进行补偿。这是基于实际系统条件通过预定分数改变所计算的焓的无量纲标量。可以在操作员进行加工的同时改变“微调”，以补偿上述变量的不确定性。在当前设想到的实施方式中，控制的其余部分是基于所使用的电极丝的已知特点(例如，物理大小、材料等)来设定的。

如以上指出的，可以采用使电极伸出长度与所施加的焊接电力电流相关并且确定保持所需焓变化所需的电流的各种类型增益。这些增益可能包括线性增益、比例增益、积分增益和微分增益、这些增益的组合等等。在目前设想到的实施例中，可以如下建立非线性关系。具体而言，以上被表达为方程1的电极伸出长度与所需焓变化之间的关系可以被重新定义从而按如下隔离电流：

项K将一般常数项分组在一起，包括电极丝特性和焊丝进给速度以及目标焓变化。然后，可以表达电流根据电极伸出长度变化的速度：

并且求解电流差动：

如可以看到的，在本实施例中，焊接电流的变化速度以非线性方式与电极伸出长度相关。据信，基于这种关系的电流控制可以提供更好的性能并且准确地保持所需焓变化。

应注意的是，在优选实施例中，将焊丝86的已调节末端加热至恰好在或略低于电极材料的熔化温度。实施次级热源来完成电极86的熔化同时以受控方式使材料熔融到部分18。次级热源可以是GMAW、GTAW、等离子体、激光、电子束等。

虽然本文中仅图示和描述了本发明的某些特征，但本领域的技术人员将会想到许多修改和变化。因此，应理解的是，所附权利要求书旨在涵盖落入本发明的真实精神内的所有这种修改和变化。

Claims

1.一种材料加工方法，包括：

通过材料加工焊炬使电极朝工件前进从而开始热焊丝工艺；并且

调节施加于所述电极的电流以便调节从所述材料加工焊炬伸出的所述电极的区域的温度，其中，所述施加于所述电极的电流调节所述电极的区域的温度，所述电极在所述热焊丝工艺过程中由在所述材料加工焊炬外部的热源加热，

其中，所述电流是基于所确定的电极伸出长度误差调节的。

2.一种材料加工方法，包括：

其中，所述电极的焊丝进给速度是基于所确定的电极伸出长度误差调节的。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述温度被控制以维持所述电极的区域的大体恒定的温度。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述温度是基于被选择用于所述热焊丝工艺的电极的已知特性来控制的。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述特性是基于操作员在系统电源和/或焊丝进给器内输入的所选择的电极而确定的。

6.一种材料加工方法，包括：

使电极朝工件前进从而开始材料加工操作；以及

在所述材料加工操作过程中调节所述电极的伸出端的焓，

其中，通过调节施加于所述电极的电流调节所述焓，

其特征在于

所述电流是基于确定的电极伸出长度误差调节的。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述电流是基于比例增益值调节的。

8.如权利要求6或7所述的方法，其中，所述焓被控制以维持所述电极伸出区域的大体恒定的温度。

9.如权利要求6所述的方法，其中，所述焓是基于被选择用于所述材料加工操作的电极的已知特性来控制的。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述特性是基于操作员在系统电源和/或焊丝进给器内输入的所选择的电极而确定的。

11.如权利要求6所述的方法，其中，所述焓是至少部分基于以下关系控制的：

式中，EE是电极伸出长度，λ是电极阻抗与电极伸出长度的比值，I是材料加工电流，D_w是所述电极的直径，τ是所述电极的线性流速，p_w是所述电极在已知温度下的密度，H_f是所述电极的所需焓，以及H₀是所述电极的初始焓。

12.如权利要求6所述的方法，其中，出于控制目的，所述焓被假定为大体与温度成比例。

13.一种材料加工方法，包括：

使电极朝工件前进从而开始材料加工操作；并且

调节施加于所述电极的电流以便在所述材料加工操作过程中调节所述电极的伸出端的焓和/或温度，

其中，所述电流是基于确定的电极伸出长度误差调节的，

其特征在于

所述电极的焊丝进给速度是基于所述确定的电极伸出长度误差调节的。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述焓和/或温度被控制以维持所述电极伸出区域的大体恒定的焓和/或温度。

15.如权利要求13所述的方法，其中，所述焓和/或温度是基于被选择用于所述材料加工操作的电极的已知特性来控制的。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述特性是基于操作员在系统电源和/或焊丝进给器内输入的所选择的电极而确定的。

17.一种材料加工系统，包括：

电源，所述电源被配置成为材料加工操作提供电力；

电极丝进给器，所述电极丝进给器被配置成在所述材料加工操作过程中使电极丝前进；以及

控制系统，所述控制系统被配置成在所述材料加工操作过程中调节所述电极丝的伸出端的焓，所述控制系统包括电流传感器，所述电流传感器被连接以检测施加于所述电极丝的电流，其中，所述控制系统被配置成通过基于来自所述电流传感器的反馈来调节施加于所述电极丝的电流而调节焓，

其特征在于

所述控制系统被配置成基于确定的电极伸出长度误差来调节电流。

18.如权利要求17所述的系统，其中，所述电流是基于比例增益值调节的。

19.如权利要求17或18所述的系统，其中，所述焓被控制以维持所述电极伸出区域的大体恒定的焓和/或温度。