採用旋轉電極的金屬芯焊接方法及其系統的製作方法
2023-10-30 15:51:37
採用旋轉電極的金屬芯焊接方法及其系統的製作方法
【專利摘要】公開了採用金屬芯焊接電極並帶有電極（44）和電弧強制運動的方法和系統。電極（44）可以通過運動控制組件（62）而運動，所述運動控制組件（62）包括位於焊炬（24）內的電機（66）。電弧僅在金屬芯電極（44）的護套和工件（14）（或焊坑）之間建立，提供了獨特的傳送方式來強化沉積、行進速度以及其它焊接和工藝特性。
【專利說明】採用旋轉電極的金屬芯焊接方法及其系統
【技術領域】
[0001]本發明總體涉及焊接技術，更具體涉及尤其在自動化焊接應用中採用金屬芯焊絲電極來提高性能的改進工藝。
【背景技術】
[0002]通過焊接操作來連接工件的多種技術已經得到發展。這些技術包括多種多樣的工藝和材料，其中大部分現代工藝涉及可消耗電極或非消耗電極與工件之間產生的電弧。這些工藝通常被分組成這些類別，例如恆電流工藝、恆電壓工藝、脈衝工藝等等。然而，在這些工藝之間進行進一步劃分也是普遍的，對於消耗電極來添加填料金屬到焊縫中的工藝尤其如此。幾乎在所有此類工藝中，所選擇的工藝都與填料材質及其形態密切相關，在某些工藝中只能唯一地採用特定類型的電極。例如，某些類型的金屬惰性氣體(MIG)保護焊工藝，其構成了一個大組的一部分，有時被稱作氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)。
[0003]在GMAW焊接中，採用焊絲形式的電極被推進焊池消耗，通過電極焊絲和工件之間的電弧的熱量而熔化。焊絲從繞絲筒連續地穿過焊槍進行傳送，在焊槍處電荷被傳送給焊絲來產生電弧。用於此類工藝中的電極構型通常被稱作實芯焊絲、藥芯焊絲，或者被稱作金屬芯焊絲。每種類型相對於其它類型都被認為具有獨特的優點和缺點，為了優化它們的性能，需要對焊接工藝和焊接配置進行仔細的調節。例如，實芯焊絲雖然比其它類型的焊絲便宜，但通常需要與惰性保護氣體一起使用，而惰性保護氣體卻是相當昂貴的。藥芯焊絲可以不需要單獨的保護氣體供給，但本身卻比實芯焊絲要更加昂貴。金屬芯焊絲需要保護氣體，但是這些氣體可以被調節為比實芯焊絲所需要的保護氣體便宜的混合物。雖然金屬芯焊絲相對於其它電極類型具有獨特的優勢，但是它的採用並不像實芯焊絲那樣普遍。
[0004]所有上述三種電極類型都可以使用不同的傳送方式，傳送指的是從電極頂端將金屬移動到前進焊道的機械和機電現象。存在著多種此類傳送方式，例如短路傳送、球形傳送、噴射傳送以及脈衝噴射傳送。實踐中，傳送物理學可能表現為上述方式的混合，雖然通常選擇工藝和電極來維持特定的傳送方式，但在焊接期間實際的材料傳送可以在它們之間進行轉換。
[0005]雖然早就認識到，採用金屬芯焊絲電極相對於實芯焊絲和藥芯焊絲電極在很多方面都具有優勢，但是需要對工藝進行改進來提高它們的性能和被採用度。
【發明內容】
[0006]本申請總結了新研發的設計成滿足此類需要的工藝和金屬芯焊絲電極的組合。所涉及的工藝依靠旋轉或往復運動電弧，有時被稱作「旋轉電弧」，通常通過移動電極頂端和採用金屬芯焊絲電極。非常出乎預料的是，相信強制電弧運動和金屬芯焊絲的使用提供了非常巨大的改進，基於以前已知的旋轉電弧技術或金屬芯焊絲焊接技術的使用，這些改進是無法獲得或可預測到的。進一步相信，由於強制電弧運動和金屬芯焊絲的協同作用，電弧特性、焊池特性以及滲透特性都是獨一無二的。通過調節下列因素例如工藝參數、金屬芯焊絲的尺寸和類型、運動的量、頻率和模式等等，可以得到進一步的增強特性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]當參照附圖閱讀下文的【具體實施方式】時，本發明的這些以及其它特徵、方面和優點都將變得更好理解，全部附圖中相同的標記代表相同的部分，其中:
[0008]圖1是採用本技術某些方面的示例性焊接系統的圖示；
[0009]圖2是與圖1中的系統一起使用的金屬芯電極末端的具體視圖；
[0010]圖3是代表根據本技術某些方面的金屬芯電極運動的視圖；
[0011]圖4是金屬芯焊絲運動採用圓形模式的前進焊道的圖示；
[0012]圖5是金屬芯焊絲採用橢圓形路徑的前進焊道的近似示圖；
[0013]圖6是金屬芯焊絲採用不同取向的橢圓形路徑的前進焊道的另一個示圖；
[0014]圖7是採用運動的金屬芯焊絲電極的前進焊道的示例性電弧位置和傳送方式的示圖；以及
[0015]圖8是一起不出了金屬芯電極移動和不例性強化傳送軌跡的時序圖。
【具體實施方式】
[0016]圖1示出了示例性焊接系統10，該系統採用金屬芯焊絲電極的運動。系統10設計成產生焊縫12和工件14。焊縫可以是任意類型和以任意期望的方式取向，包括對接焊縫、搭接焊縫、斜焊縫、立式焊縫等等。該系統包括能量供給裝置16，能量供給裝置16通常連接到氣源18和電源20例如電網。其它電源當然也可以採用，包括發電機、發動機驅動式電源堆等等。送絲機22連接到電源20並為焊槍24提供金屬芯焊絲。如下所具體描述，在焊道形成期間，金屬芯焊絲被強制運動來引起金屬芯焊絲的護套與工件之間的電弧運動。
[0017]在示出的實施例中，能量供給裝置16包括功率轉換電路26，功率轉換電路26連接到控制電路28，控制電路28管理功率轉換電路的操作以產生適合於焊接操作的電能輸出。能量供給裝置可以按照多種工藝、焊接機制等進行設計和計劃來產生輸出功率，其包括恆電流工藝、恆電壓工藝、脈衝工藝、短路傳送工藝等等。在目前所考慮的實施例中，控制電路28控制功率轉換電路26來產生脈衝焊接機制，該焊接機制幫助材料從金屬芯焊絲傳送到前進焊道。然而，其它焊接機制當然也可以應用。操作者界面30允許焊接操作者既可以改變焊接工藝，也可以改變焊接設置。另外，在某些所考慮的實施例中，操作者界面可以允許選擇和/或修改與焊槍運動和金屬芯焊絲相關的某些參數。最後，能量供給裝置可以包括閥32，閥32用來調整來自氣源18的保護氣體的流量。
[0018]送絲機22通常包括控制電路，控制電路通常用標記34示出，控制電路控制繞絲筒36的焊絲供給。繞絲筒36包含一定長度的金屬芯焊絲，在焊接期間金屬芯焊絲被消耗。焊絲通過驅動組件38前進，通常通過在控制電路34控制下的小型電機的使用來進行。焊絲、氣體、控制和反饋數據可以通過焊接電纜40在送絲機22和焊槍44之間進行交換。工件14通過電纜42也連接到能量供給裝置，從而形成連通電極44的電路迴路，此時電弧在電極和工件之間被建立。如下更具體描述，從焊槍中推出的電極44被強制運動，例如以旋轉運動的方式，如標記46所示。
[0019]圖1所示的焊接系統可以設計成人工操作，雖然本技術中的大部分應用是自動化的。也就是說，焊槍24固定到機器人，機器人按程序來定位焊炬相對於工件的期望位置。然後機器人可以執行在電極和工件之間啟動電弧，並沿著預定的路徑正確地導引焊槍和推進焊槍和/或工件，此時焊道被建立來連接兩個部件。如下更具體描述，在此類自動化應用中，本技術能夠顯著提高行進速度和改進焊道特性。
[0020]本技術被具體設計來與圖2中示出類型的金屬芯焊絲配合使用。此類焊絲通常包括由金屬製成的護套46，護套46包裹住金屬內芯50。各種已知的技術都可以用來生產此類金屬芯焊絲，此類技術不屬於本發明的範圍。金屬芯焊絲的特性可以根據具體的應用進行選擇，具體取決於所要連接部件的冶金學、所使用的保護氣體種類以及焊道的預期填充體積等等。在圖示的實施例中，金屬芯焊絲的某些幾何尺寸可以有助於增加電極運動的好處。例如，焊絲通常選擇具有理想的直徑52。該直徑包括護套的壁厚54和內芯的直徑56。這些參數可以改變和優化來增強焊絲的性能，並提供對下列特性的改進，如電弧建立、電弧維持、材料傳送、形成焊道的冶金學以及焊道的滲透等等。使用在本技術中的合適的焊絲的例子包括選自Hobart Brothers公司標識為「Matrix」的優質金屬芯焊絲(Premium MetalCore Wire)。
[0021]圖3示出了通常應用中焊絲的運動方式。如圖3所示，接縫58形成於工件之間，從此處伸出的帶有電極44的焊槍被定位在意向接縫的附近。隨後電弧在電極和下方將要連接的金屬之間建立。電極從接觸件60中伸出，接觸元件60能夠運動從而推動電極和已建立的電弧運動。為使接觸件運動，運動控制組件62被設置在焊槍中。雖然可以採用大量的技術用於推動此類運動，但在目前預期的設置中，通過電機66帶動凸輪64進行旋轉，通過系統的控制電路對電機66自身進行控制和供電。因此接觸件和電極被推動以預定的模式和預定的頻率進行運動，所述模式和頻率由運動控制組件62的幾何尺寸和控制來決定。如圖3所示，接觸件的頂端和電極可以從接觸件的中心線運動預定的距離或偏心距68。如下所述，各種模式都可以用於此類運動。在此過程中電極44前進以形成預期的焊道。而且，整個組件以期望的行進速度運動，如標記70所示。如下所述，電極運動與金屬芯焊絲的組合可以顯著地提高所得到的焊道質量，並且與通過單一電極運動或單一使用金屬芯焊絲所能獲得的行進速度相比，該組合允許更高的行進速度。
[0022]圖4示出了示例性的前進焊道72，連同電極44的特定運動模式一起示出。本領域技術人員應該理解，焊道跟隨著焊池或焊坑74前進，焊池或焊坑74由熔化的金屬組成，熔化的金屬來源於加熱電極和工件母材的周圍金屬。圖4中的電極以大體上圓形模式運動，如標記76所示。目前可以預期的是，此類運動與焊槍的行進速度協調一致，以使電極充分地靠近焊坑74和工件的周邊區域，從而維持電弧並使電弧在這些區域之間運動，並維持焊坑同時加熱電極和周圍金屬。如下所述，也可以預期的是，其它協調因素也可以運用，例如送絲速度、電極運動的速率或頻率以及焊接工藝的脈衝頻率(例如用來形成電弧的電流和電壓)等等。也就是說，預期的焊接工藝可以「開環」執行，不需要電極運動和其它焊接參數進行協調控制，或者可以「閉環」執行，電極運動需要和一個或多個工藝變量協調化和/或同步化。
[0023]圖5示出了電極運動的另一種可能模式，此種情況下是以大體上橢圓形的模式78。此種情況下的橢圓具有沿著焊縫和焊炬行進方向的長軸80和垂直於所述行進方向的短軸82。另外，圖6示出了又一種可能模式，命名為橫向橢圓形模式84，其中橢圓形運動的長軸80垂直於焊縫和焊炬的行進方向。然而，應該注意的是，任何期望的模式都可以採用，此外，運動控制組件可以被調整來適應執行這些模式。例如Z字形模式、「8」字形模式以及橫交往複線形等模式都可以採用並根據具體的焊接情況進行優選。
[0024]圖7示出了示例性的沉積和滲透方案，當使用被強制運動的金屬芯焊絲時，相信該方案是可行的。也就是說，電極44在待連接的工件86和88之間運動。形成的焊道90滲透到工件中，並且隨著焊道的推進形成大體上平整的表面。在圖7中，標記94指的是焊絲的護套48朝向工件86的最大路徑，而標記94代表護套48距離工件88的最大路徑。
[0025]相信在金屬芯焊絲和工件和/或前進的焊坑之間建立的電弧僅存在於護套48和這些元件之間。因此，獨特的傳送位置被建立，如標記98所示。可以觀察到，所形成的焊縫比通過採用實芯焊絲電極的電極運動所建立的類似焊縫要更加平整。另外相信的是，對母材的滲透得到了增強，如標記100所示。
[0026]通過利用金屬芯焊絲的受控的、模式化的運動，相信能夠獲得很多好處。例如，隨著行進速度的實質性增加，獲得更高的沉積率是可能的，比採用兩者之一的任何單一技術能夠獲得的沉積率大約高出50-100%。而且，用更少的攻擊電弧能夠獲得更好的間隙橋接。焊縫也表現出更好的浸潤、更低的飛濺以及更少的咬邊。如上所述，相比於使用實芯焊絲的旋轉電弧技術的情況下，焊道也表現為更加平整和更少的鼓包。
[0027]在本技術中可以變化的參數可以包括因素，例如電極的運動速率和電極圍繞標準或中心位置的運動範圍。尤其是，雖然本發明中圓形模式被採用，但本發明並不一定局限於圓形模式，相信為了獲得更加平整的焊道和更高的沉積速率，旋轉頻率可以高於50Hz，並且可以擴大到100-150HZ，甚至更高都是可行的。另外，目前預期的旋轉直徑大約為1.5mm，但是更大的直徑，例如大約2.5mm也是可行的。而且，使金屬芯電極的運動(例如旋轉)與脈衝波形、送絲速度等進行協調和同步是可行的。提供與氣體流量同步化或協調化的電極運動也是可行的。上述各種參數可以有助於在母材中的滲透、電極材料的沉積、電弧的維持以及其它焊接參數。
[0028]還可以相信的是，可能由於施加在產生於電極頂端的熔球或噴射物上的機械力(例如離心力)，焊坑可以更好地隨著金屬芯電極的運動一起運動。因此該工藝能夠比以前的工藝冷卻得更快。對於某些類型的工件和工件冶金學，尤其是電鍍的工件，還可以提高額外的好處。進一步，該工藝可以允許使用廉價的保護氣體，例如C02，而不是使用當前與此類焊接電極一起使用的氬氣混合氣。
[0029]圖8示出了關於金屬芯焊接電極的運動和來自電極頂端的材料的強制傳送的示例性時序圖。在圖8中，軌跡102示出了電極頂端隨著時間的運動，而軌跡104示出了強制傳送。在圓形運動模式下，從前進的焊道、焊坑或接縫的任意具體位置中的任意具體點來看，都將大體上呈正弦運動。在此運動中的點106處，電極的護套非常接近於工件母材的邊緣。焊接工藝可以進行調整，例如通過控制脈衝焊接機制，來強化或增強這些位置處電極材料的傳送，大體上如標記108所示。這些時間段通常會周期性發生，如時間線110所示。這些控制機制還有很多其它控制機制都可以被預料。如上所述的協調傳送方式與金屬芯焊接電極的運動，尤其當利用僅僅通過電極的護套來建立的電弧。
[0030]前述技術已經在焊炬上進行了測試，該焊炬包括伺服電機和凸輪，伺服電機和凸輪用來使接觸嘴在大約50Hz下以2.0mm的振幅進行旋轉。使用長度為45mm的標準接觸嘴。直徑為0.045英寸的金屬芯焊接電極被採用，電極類型為ER70S-6實芯焊絲。90-10C02混合保護氣被採用。採用基於自動接口(Auto Access)能量供給裝置的脈衝焊接機制，該能量供給裝置運行Accu-Pulse工藝,該能量供給裝置可以從威斯康辛州(Wisconsin)的MillerElectric Mfg.0f Appleton公司購得。基線測試以每分鐘39英寸的速度進行,該優化的速度能夠在12規格(gauge)的材料上得到高質量的角焊縫。基於這些設置，行進速度被增加到每分鐘59英寸，大約高於基線50%。測試條件不斷變化試圖來優化焊接效果。限制性的因素顯現為存在咬邊。無論焊接參數如何變化，高度錯亂的焊道和咬邊仍然存在。
[0031 ] 在第二項測試中，相同的焊絲和氣體與相同的焊接能量供給裝置和焊接工藝一起被採用。然而在該測試中電極運動被採用，如上所述。第二項測試的行進速度被設置在每分鐘59英寸。測試條件不斷變化試圖來優化焊接效果。密集的驅動電弧表現為深挖入基體金屬中並形成了成穴作用。電極運動工藝降低了咬邊的數量並且使焊縫表面顯著地平整化。然而，焊坑沒有推出到焊趾，最終仍然留下一些咬邊。
[0032]在第三項測試中，採用直徑為0.045英寸的E70C-6M Vantage和Matrix金屬芯焊絲(可以從Hobart Brothers公司購得)。焊接混合保護氣、能量供給裝置和焊接工藝都與前面的測試相同。在這項使用金屬芯焊絲的測試中，電極運動也採用每分鐘59英寸的行進速度設置。測試條件不斷變化試圖來優化焊接效果。由金屬芯焊絲產生的電弧明顯比使用實芯焊絲的情況下要柔和。成穴作用的降低使得焊坑更好地填入焊趾中，在每分鐘59英寸的速度下幾乎消除了所有的咬邊。焊腿的大小與材料厚度(0.125英寸)相等。雖然相信需要正確的材料焊接尺寸，但是自動化工業會過焊此類材料，從而來彌補在部件裝配中的誤差並便於可視化檢測。
[0033]在第四項測試中，採用同樣的金屬芯焊絲，但直徑為0.052。採用相同的混合保護氣、能量供給裝置和焊接工藝，同時也採用電極運動。測試也以每分鐘59英寸的行進速度進行。同樣地，測試條件也是不斷變化試圖獲得優化的焊接效果。由金屬芯焊絲產生的電弧明顯要比採用實芯焊絲情況下要柔和。成穴的減少使得焊坑更好地填在焊趾處，在每分鐘59英寸的行進速度下幾乎消除了所有的咬邊。焊腿尺寸被改善成具有更大的焊道寬度。在此項測試中，通過移動焊絲上下高出接縫大約1.2mm的方式來測試工藝的穩健性。焊縫也以1.2mm的縫隙進行測試。焊接結果表明，該工藝即使在每分鐘59英寸的行進速度下都具有非常穩健的窗口。
[0034]另一項測試也被進行，採用與前面測試中相同的金屬芯焊絲、混合保護氣、能量供給裝置和焊接工藝。在此項測試中，採用更高的行進速度，以每分鐘80英寸的行進速度使用在水平疊層接縫上。為了優化焊接效果測試條件不斷變化。由金屬芯焊絲產生的電弧明顯比實芯焊絲的要柔和。縫隙從O變化到1.2mm並返回來測試此工藝的穩健性。焊接結果表明，即使以每分鐘80英寸的行進速度，此工藝也具有非常穩健的窗口。在所有金屬芯電極測試中的飛濺物數量都顯著少於應用在類似接縫上採用傳統實芯焊絲所看到的飛濺物數量。
[0035]當然本文中僅圖示和描述了本發明的某些特徵，對本領域技術人員來說，很多改進和變形都可以做。因此，應該理解的是，所附的權利要求書試圖覆蓋所有落入本發明實質精神之內的此類改進和變形。
【權利要求】
1.一種焊接方法，包括: 在金屬芯焊接電極和工件之間建立電弧，所述金屬芯焊接電極包括護套和內芯； 從焊炬中送出所述電極，同時通過位於焊炬內的運動控制組件使所述電極以期望的模式循環地運動，使電弧僅維持在所述護套和工件之間；以及前進所述焊炬或工件來建立焊道。
2.根據權利要求1所述的方法，其中採用脈衝焊接工藝來建立和維持所述電弧。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述脈衝焊接工藝的至少一個參數控制成與所述電極的運動協調。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述電極以大體上圓形模式運動。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述電極以大體上橢圓形模式運動。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述橢圓形模式具有大體上沿著所述焊炬行進方向的長軸。
7.根據權利要求5所述的方法，其中所述橢圓形模式具有大體上垂直於所述焊炬行進方向的長軸。
8.根據權利要求1所述的方法，其中所述焊炬或工件以至少每分鐘59英寸的速率推進。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述焊炬或工件以至少每分鐘80英寸的速率推進。
10.根據權利要求1所述的方法，其中所述電極以至少60Hz的頻率運動。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述電極以至少IOOHz的頻率運動。
12.—種焊接系統，包括: 能量供給裝置，構造成產生適合於焊接的能量； 送絲機，連接到所述能量供給裝置並構造成供給金屬芯焊接電極，所述金屬芯焊接電極包括護套和內芯； 焊炬，連接到所述送絲機並構造成利用來自所述能量供給裝置的能量在所述電極和工件之間建立焊接電弧，同時通過位於所述焊炬內的運動控制組件使所述電極以期望的方式循環地運動，使電弧僅維持在所述護套和工件之間。
13.根據權利要求12所述的系統，其中所述能量供給裝置構造成執行脈衝焊接工藝來產生用於所述電弧的脈衝能量。
14.根據權利要求13所述的系統，其中所述能量供給裝置和/或焊炬構造成使所述電極的循環運動與所述脈衝焊接工藝的脈衝協調。
15.根據權利要求12所述的系統，其中所述運動控制組件構造成使所述電極以大體上圓形模式運動。
16.根據權利要求12所述的系統，其中所述運動控制組件構造成使所述電極以大體上橢圓形模式運動。
17.根據權利要求16所述的系統，其中所述橢圓形模式具有大體上沿著所述焊炬行進方向的長軸。
18.根據權利要求16所述的系統，其中所述橢圓形模式具有大體上垂直於焊炬行進方向的長軸。
19.根據權利要求12所述的系統，其中所述運動控制組件構造成使所述電極以至少50Hz的頻率運動。
20.根據權利要求12所述的系統，其中所述運動控制組件構造成使所述電極以50Hz和150Hz之間的頻率運動。`
【文檔編號】B23K9/073GK103732343SQ201280038979
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年6月27日 優先權日:2011年7月1日
【發明者】凱文·帕加諾, 凱文·薩默 申請人:伊利諾斯工具製品有限公司