用於閃光焊的系統和方法

2023-05-11 00:54:31

專利名稱：用於閃光焊的系統和方法
技術領域：
本發明總體上涉及一種焊接系統和方法，更加具體地，涉及一種用於閃光焊對接接頭的系統和方法。
背景技術：
在為了生產具有較長的安裝壽命的鐵軌的不斷努力中，製造商們最近已經實現了幾個工藝改進。例如，鋼軌的化學物質變得更加複雜以增加耐磨度。另外，對鐵軌的截面也進行了修改從而增加軌頭尺寸。該增加的軌頭尺寸使得在鐵軌必須報廢之前鐵軌待執行的輪廓磨損周期更多。雖然上述的改進可以使典型的鐵軌的安裝周期更長，但是這些改進也可以增加在 鐵軌之間的對接接頭的閃光焊期間出現的困難。尤其是，外來的鋼化學物質將引發問題因為添加的合金元素降低了熱傳導性並且限制了熱流一其可在閃光焊期間影響凹坑並且最終降低焊口的完整性。另外，鐵軌截面的改變降低了截面區域的對稱性。鐵軌截面的不對稱性可對焊接表面上的不同區域中的焊接電流密度造成不良影響，同樣導致形成凹坑和降低焊口的完整性。因此，需要提高鐵軌焊接技術，以與工業界的不斷進步相一致。本發明的系統和方法目的在於克服上述提及的問題中的一個或多個和/或現有技術中的其他問題。

發明內容
在一個方面，本發明涉及一種焊接系統。該焊接系統可以包括電源；鍛造裝置，其構造用於保持和移動待焊接在一起的兩個構件的端部；以及多個接點，其將電源連接至這兩個構件。該焊接系統還可包括與所述電源和所述鍛造裝置進行通信的控制器。該控制器可構造用於在單個焊接周期的不同階段中調節電源以選擇性地在恆電流模式和恆電壓模式下進行操作，並且在單個焊接周期的最後階段致動所述鍛造裝置以將兩個構件的所述端部移到一起。在另一方面，本發明涉及一種將第一構件閃光焊到第二構件的方法。該方法可包括至少在焊接周期的第一階段將電源調節在恆電流操作模式以向第一和第二構件的端部提供電能；至少在焊接周期的第二階段將電源調節在恆電壓操作模式以向第一和第二構件的端部提供電能。該方法還可包括在焊接周期的第三階段將第一構件移到第二構件中。


圖I是示例性公開的焊接系統的示意圖；和圖2是描述可以通過圖I的系統執行的示例性公開的方法的流程圖。
具體實施例方式圖I示出了焊接系統10，其可以用於結合兩個構件一例如兩個鐵軌12、14的彼此相鄰的端部。焊接系統10可包括鍛造裝置16、電源18以及控制器20。如在下文中將更詳細說明的，控制器20可調節從電源18導向鐵軌12、14的電壓和電流以在鐵軌12、14之間的對接接頭處形成永久的閃光焊。鍛造裝置16可包括以下的部件一該部件基於來自控制器20的指令相互合作以利用極大的力將鐵軌12、14的端部移動到一起。例如，鍛造裝置16可包括與各個鐵軌12、14相關聯的一個或多個夾具22，以及在夾具22之間延伸的致動器24。雖然可以使用任意的布置結構和任意數量的夾具22來抓取鐵軌12、14的端部，但是，在一個實施例中，夾具22可以位於各個鐵軌端部的上冠部、下基部和中間網面。各個夾具22可構造為提供夾持力以在焊接工藝期間牢固地保持相應的鐵軌12、14。可以想像，與鐵軌12、14中的一個關聯的夾具22可以與靜止的臺板(platen)(未示出)相關聯，同時與鐵軌12、14中的另一個相關聯的夾具22可與可動的臺板(未示出)相關聯。或者，與各個鐵軌12、14相關聯的夾具22可與可動臺板相關聯。致動器24可以體現為液壓致動器一在兩個端部與夾具22連接和/或連接到與夾具22相關聯的臺板。響應於來自控制器20的指令，可以選擇性地將高壓流體供給到致動器24以收縮並將鐵軌12、14移到一起或者伸開並將鐵軌12、14拉開。在一個實施例中，可以將致動器24構造為施加大約50-200噸範圍內的力。 電源18可以是中頻DC (MFDC)電源——脈寬調節控制(PMW)。因為中頻電源可以受控制以補償變化電路條件中的變動，因此可以認為是獨立的電源。電源18可以以兩種不同的模式一例如恆電流模式和恆電壓模式一來操作，電源18能夠在這兩種模式之間很快地轉換，例如在1/2400秒之內。在恆電流模式下，可以控制電源18以改變輸出電壓，從而維持預設的焊接電流。隨著正被焊接的構件升溫，被焊接的構件中的相關的DC阻抗也增加。當被焊接的構件中的電流由於增加的阻抗而開始減小時，電流最終將降至預設的焊接電流之下。在這種情況下，為了維持被焊接的構件中的恆定電流，可以控制電源18以將供給電壓增加到約12vdc (直流電壓伏特)的最大設計量。隨著焊接電流到達或超過預設的焊接電流，可以控制電源18以降低供給電壓。在恆電壓模式下，可以控制電源18以改變輸出電流，進而維持預設的焊接電壓。當被焊接的構件中的電壓開始降至預設焊接電壓之下時，為了維持被焊接的構件中的恆定電壓，可以控制電源18以將供給電流增加至約130，OOOamps (安培)的最大設計量。隨著焊接電流到達或超過預設的焊接電流，可以控制電源18以降低供給電流。電源18在焊接工藝期間可以通過連接到鐵軌12、14端部的接點25而將電能導向鐵軌12、14。需要注意，可以使用任意構造和任意數量的接點25。在一個示例中，在待焊接的各個鐵軌12、14的端部可以使用成對的接點25，該成對的接點在鐵軌12、14的相對側分隔開。如果需要，變壓器26可以與電源18相關聯。變壓器26可構造為接收來自公共設施或其他源設備中的交流電，並且根據電源18的需求來轉換電力。在一個示例中，變壓器26可以接收具有頻率為50-60HZ的480伏(交流電壓)的交流電，並且將該交流電轉換為最大值為12vdc和130，OOOamps的直流電功率。控制器20可以根據傳感器的輸入和/或來自操作者的輸入與焊接系統10中的構件進行通信以調節鐵軌12、14的閃光焊。控制器20可以體現為單個的或多個微處理器、現場可編程門陣列(FPGAs)、數位訊號處理器(DSPs)等——包括用於根據不同的輸入信號而控制鍛造裝置16和電源18的操作的裝置。可以理解，控制器20可輕易體現為一般焊接系統微處理器，並且能夠控制多個焊接系統功能和操作模式，或者，可選地專用於僅控制與電源相關的功能。如果控制器20與一般焊接系統微處理器分開，那麼控制器20可以經由數據鏈路或其他的方法與一般焊接系統微處理器通信。許多商用微處理器可構造為執行控制器20的功能。控制器20可以與多種已知的電路關聯，包括電源電路系統、信號調節電路系統、致動器驅動電路系統(也就是，向致動器24供電的電路系統，螺線管、電機等)以及通信電路系統。焊接系統10可以與一個或多個傳感器28相關 聯。例如，傳感器28可以包括與向接點25的供電相關聯的電壓和/或電流傳感器；線性距離和/或速度傳感器，其與由致動器24引起的鐵軌12、14的移動關聯；壓力傳感器，其與由致動器24施加在鐵軌12、14的力關聯；溫度傳感器，其與鐵軌12、14兩者之一或兩者關聯；或者本領域中已知的其他傳感器。可以想到，按照需要，電壓和/或電流傳感器可位於電源18的主側(電源18和變壓器26之間)或者電源18的副側(電源18和接點25之間)。各個傳感器28可以構造為產生表示相應的測量參數的信號，並且將信號傳遞給控制器20。圖2示出了可以由控制器20根據傳感器輸入和/或操作者的輸入而控制的示例性焊接工藝。以下將更加詳細地說明圖2以便更好地說明本發明的系統及其操作。工業適用性對接接頭的閃光焊能夠以四個不同的階段完成包括平整閃光階段(straightflashing stage)(如圖2的步驟100所示),預加熱階段(如步驟110所示)、最後閃光階段(如步驟120所示)、以及鍛造階段(如步驟130所示)。控制器20可以在這些階段的各個階段中以不同的方式調節電源18和鍛造裝置16的操作，以在鐵軌12、14的端部之間形成高
質量的焊縫。平整閃光階段可以被認為是初步階段一在該階段製備鐵軌12、14的端部以備焊接。在此階段中，可以向鐵軌12、14的端部供電，以便燒掉各種可能存在的不規整物，由此使得端部平整。此時諸如鐵鏽、灰塵和油脂等雜質也被燒掉。通過平整鐵軌12、14的端部，可以保證，端部的均勻加熱，並且焊接工藝不會受到磨銑缺陷的影響。在平整焊接階段，控制器20可以控制/調節電源18以在恆電流的模式下操作並且開始焊接工藝。在此階段，在恆電流的操作模式下，控制器20可通過選擇性地調節高電壓(例如，高至12vdc)在接點25處維持高電流(例如，大約80，000至85，OOOamps)。因為鐵軌12、14起初可能較冷並且並沒有趨向於較易熔化(還不能維持閃光)，因此需要這些高的電壓和大的電流。預加熱階段可以是其中向鐵軌12、14提供大部分所需焊接熱量的階段。通過從電源18向位於鐵軌12、14的端部上的接點25發送的電脈衝——例如各脈衝持續時間為約2-4秒——的方式來提供該加熱過程。在此階段，可在脈衝期間通過力16將鐵軌的端部移在一起，以助於形成鐵軌端部的均勻加熱，然後鐵軌的端部在兩個脈衝之間被移動分開，以有助於確保還不會形成永久的結合。與恆定的供應相反，可以以脈衝的形式供電，以有助於延長系統部件的壽命。在預加熱階段，控制器20同樣可以調節電源18以在恆電流模式下操作。特別是，控制器20可在預加熱階段增加供給到接點25的電流(例如，大約80，000至110，OOOamps或更高)，並且隨著鐵軌12、14升溫，通過選擇性地調節供電電壓(例如，大約8-12vdc之間)可以維持恆定的高電流值。對於橫截面較大的鐵軌，可能需要提供該高電流值來提供高產焊接速率。可以想到，如果需要，在恆電流模式下在兩個脈衝之間中，控制器20可以額外地控制電源18以在恆電壓的模式下操作。最後的閃光階段可以被認為是將鐵軌12、14強迫在一起以形成永久的焊縫之前的最後加熱階段。也可以通過從電源18向接點25發送電脈衝的方式來提供該加熱過程，該加熱過程以不斷增加的速率不斷地燒掉任何可能已出現在鐵軌12、14端部的氧化物並且填充任何在之前的加熱脈衝階段形成的凹坑。在最後閃光階段，控制器20可以調節電源18以在恆電壓模式下操作。具體地講，控制器20可在最後閃光階段降低電壓(例如，在大約4. 5-6vdc之間)，並且通過隨著鐵軌12,14中的熱量和阻抗改變而選擇性地調整電流(例如，大約20，000至40，OOOamps之間)維持低電壓。在一些情況下，有必要以相對高的電壓來啟動最後閃光階段，然後將電壓降至上述的較低水平。在最後閃光階段的低電壓可以提高最終焊縫的質量。·鍛造階段可以是焊接工藝的最後階段(除淬火外)，在該鍛造階段通過鍛造裝置16在極大的壓力下迫使鐵軌12、14在一起。可控制鍛造裝置16以將鐵軌12、14移到一起，直到在致動器24中達到了期望的壓力和/或直到實現鐵軌12、14的朝向彼此的期望的線性移動。在鍛造階段，控制器20可以調節電源18以在恆電流模式下操作。也就是，在鍛造裝置16將鐵軌12、14移到一起之後，控制器20可通過根據鐵軌12、14中的熱量和阻抗的改變來改變電壓(例如大約5-12vdc)從而以相對恆定的電流(例如大約35，000至100，OOOamps)持續向接點25提供電能。本發明的系統可具有能夠在需要傳統焊接工藝期間通常使用的電壓的大約一半的電壓的情況下執行期望的工作量的能力。使用一半的電壓和相同量的電能表示使用的焊接電流實際上是雙倍的(Ρ=Ι*ν)。該提高的焊接電流密度以及降低的電壓可以形成高質量的鐵軌焊縫。本發明的焊接系統也可以焊接具有不同的化學構造和/或不同的鐵軌截面積的鐵軌。特別是，調整電壓以在鐵軌中獲得期望的電流或者調整電流並獲得期望的電壓的能力將使得工藝在溫度、持續時間等方面更加靈活。對於本領域的技術人員而言，顯而易見的是，在不脫離本發明的範圍的情況下，可以對本發明的系統和方法進行多種變形和改變。在考慮這裡公開的說明書以及系統和方法的實踐的基礎上，本發明的系統和方法的其他實施例對於本領域的技術人員而言是顯而易見的。本文的說明書和例子僅僅作為示例，由所附的權利要求和其等價權利要求來確定本發明的實際範圍。
權利要求
1.一種焊接系統(10)，所述焊接系統包括 電源(18)； 鍛造裝置(16)，構造用於保持和移動待焊接在一起的兩個構件(12、14)的端部； 多個接點(25)，其將所述電源連接到所述兩個構件；以及 控制器(20)，其與所述電源和所述鍛造裝置通信，所述控制器被構造用於 在單個焊接周期的不同階段中，調節所述電源以選擇性地在恆電壓模式和恆電流模式下操作；以及 在所述單個焊接周期的最後階段，致動所述鍛造裝置以將所述兩個構件的所述端部移到一起。
2.如權利要求I所述的焊接系統，其特徵在於，所述控制器構造用於根據所述單個焊接周期的正執行的階段調節所述電源以選擇性地在恆電壓模式和恆電流模式下操作。
3.如權利要求2所述的焊接系統，其特徵在於，所述單個焊接周期包括平整閃光階段、預加熱階段、最後閃光階段以及鍛造階段；以及 所述控制器構造為調節所述電源以選擇性地在所述平整閃光階段、所述預加熱階段和所述鍛造階段在恆電流模式下操作，在所述最後閃光階段在恆電壓模式下操作。
4.如權利要求3所述的焊接系統，其特徵在於，所述控制器構造用於在所述平整閃光階段調節所述電源以向所述多個接點提供電能，該電能具有大約80，000至85，OOOamps範圍內的電流以及最大值大約為12vdc範圍內的電壓。
5.如權利要求4所述的焊接系統，其特徵在於，所述控制器構造用於在所述預加熱階段調節所述電源以向所述多個接點提供電能，該電能具有大約80，000至100，OOOamps範圍內的電流以及大約8至12vdc範圍內的電壓。
6.如權利要求5所述的焊接系統，其特徵在於，所述控制器構造用於在所述最後閃光階段調節所述電源以向所述多個接點提供電能，該電能具有大約20，000至40，OOOamps範圍內的電流以及大約4. 5至6vdc範圍內的電壓。
7.如權利要求6所述的焊接系統，其特徵在於，所述控制器構造用於在所述鍛造階段調節所述電源以向所述多個接點提供電能，該電能具有大約35，000至100，OOOamps範圍內的電流以及大約5至12vdc範圍內的電壓。
8.一種將第一構件(12)閃光焊接到第二構件(14)的方法，所述方法包括 至少在焊接周期的第一階段中，將電源(18)調節在恆電流操作模式下以向所述第一和所述第二構件的端部供電； 至少在焊接周期的第二階段中，將電源(18)調節在恆電壓操作模式下以向所述第一和所述第二構件的端部供電；以及 在焊接周期的第三階段，將所述第一構件移到所述第二構件中。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述焊接周期包括平整閃光階段、預加熱階段、最後閃光階段以及鍛造階段。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於， 將所述電源調節在所述恆電流操作模式下包括在所述平整閃光階段、所述預加熱階段和所述鍛造階段將所述電源調節在所述恆電流操作模式下；以及 將電源調節在所述恆電壓模式下包括在所述最後閃光階段將所述電源調節在所述恆電壓 模式下。
全文摘要
本發明公開了一種焊接系統(10)，所述焊接系統包括電源(18)；鍛造裝置(16)，其構造用於保持和移動待焊接在一起的兩個構件(12、14)的端部；多個接點(25)，其將所述電源連接到所述兩個構件。所述焊接系統還可具有控制器(20)，該控制器與所述電源和所述鍛造裝置通信。所述控制器被構造用於在單個焊接周期的不同階段中調節所述電源以選擇性地在恆電壓模式和恆電流模式下操作；以及在所述單個焊接周期的最後階段致動所述鍛造裝置以將所述兩個構件的端部移到一起。
文檔編號B23K11/04GK102971107SQ201180026510
公開日2013年3月13日 申請日期2011年5月27日 優先權日2010年5月28日
發明者C·R·巴蒂斯蒂 申請人:鐵路發展服務公司