CN102971107A - 用于闪光焊的***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊接***（10），所述焊接***包括：电源（18）；锻造装置（16），其构造用于保持和移动待焊接在一起的两个构件（12、14）的端部；多个接点（25），其将所述电源连接到所述两个构件。所述焊接***还可具有控制器（20），该控制器与所述电源和所述锻造装置通信。所述控制器被构造用于：在单个焊接周期的不同阶段中调节所述电源以选择性地在恒电压模式和恒电流模式下操作；以及在所述单个焊接周期的最后阶段致动所述锻造装置以将所述两个构件的端部移到一起。

Description

用于闪光焊的***和方法

技术领域

本发明总体上涉及一种焊接***和方法，更加具体地，涉及一种用于闪光焊对接接头的***和方法。

背景技术

在为了生产具有较长的安装寿命的铁轨的不断努力中，制造商们最近已经实现了几个工艺改进。例如，钢轨的化学物质变得更加复杂以增加耐磨度。另外，对铁轨的截面也进行了修改从而增加轨头尺寸。该增加的轨头尺寸使得在铁轨必须报废之前铁轨待执行的轮廓磨损周期更多。

虽然上述的改进可以使典型的铁轨的安装周期更长，但是这些改进也可以增加在铁轨之间的对接接头的闪光焊期间出现的困难。尤其是，外来的钢化学物质将引发问题：因为添加的合金元素降低了热传导性并且限制了热流——其可在闪光焊期间影响凹坑并且最终降低焊口的完整性。另外，铁轨截面的改变降低了截面区域的对称性。铁轨截面的不对称性可对焊接表面上的不同区域中的焊接电流密度造成不良影响，同样导致形成凹坑和降低焊口的完整性。因此，需要提高铁轨焊接技术，以与工业界的不断进步相一致。

本发明的***和方法目的在于克服上述提及的问题中的一个或多个和/或现有技术中的其他问题。

发明内容

在一个方面，本发明涉及一种焊接***。该焊接***可以包括：电源；锻造装置，其构造用于保持和移动待焊接在一起的两个构件的端部；以及多个接点，其将电源连接至这两个构件。该焊接***还可包括与所述电源和所述锻造装置进行通信的控制器。该控制器可构造用于在单个焊接周期的不同阶段中调节电源以选择性地在恒电流模式和恒电压模式下进行操作，并且在单个焊接周期的最后阶段致动所述锻造装置以将两个构件的所述端部移到一起。

在另一方面，本发明涉及一种将第一构件闪光焊到第二构件的方法。该方法可包括：至少在焊接周期的第一阶段将电源调节在恒电流操作模式以向第一和第二构件的端部提供电能；至少在焊接周期的第二阶段将电源调节在恒电压操作模式以向第一和第二构件的端部提供电能。该方法还可包括在焊接周期的第三阶段将第一构件移到第二构件中。

附图说明

图1是示例性公开的焊接***的示意图；和

图2是描述可以通过图1的***执行的示例性公开的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了焊接***10，其可以用于结合两个构件——例如两个铁轨12、14的彼此相邻的端部。焊接***10可包括锻造装置16、电源18以及控制器20。如在下文中将更详细说明的，控制器20可调节从电源18导向铁轨12、14的电压和电流以在铁轨12、14之间的对接接头处形成永久的闪光焊。

锻造装置16可包括以下的部件——该部件基于来自控制器20的指令相互合作以利用极大的力将铁轨12、14的端部移动到一起。例如，锻造装置16可包括：与各个铁轨12、14相关联的一个或多个夹具22，以及在夹具22之间延伸的致动器24。虽然可以使用任意的布置结构和任意数量的夹具22来抓取铁轨12、14的端部，但是，在一个实施例中，夹具22可以位于各个铁轨端部的上冠部、下基部和中间网面。各个夹具22可构造为提供夹持力以在焊接工艺期间牢固地保持相应的铁轨12、14。可以想象，与铁轨12、14中的一个关联的夹具22可以与静止的台板（platen）（未示出）相关联，同时与铁轨12、14中的另一个相关联的夹具22可与可动的台板（未示出）相关联。或者，与各个铁轨12、14相关联的夹具22可与可动台板相关联。致动器24可以体现为液压致动器——在两个端部与夹具22连接和/或连接到与夹具22相关联的台板。响应于来自控制器20的指令，可以选择性地将高压流体供给到致动器24以收缩并将铁轨12、14移到一起或者伸开并将铁轨12、14拉开。在一个实施例中，可以将致动器24构造为施加大约50-200吨范围内的力。

电源18可以是中频DC（MFDC）电源——脉宽调节控制（PMW）。因为中频电源可以受控制以补偿变化电路条件中的变动，因此可以认为是独立的电源。电源18可以以两种不同的模式——例如恒电流模式和恒电压模式——来操作，电源18能够在这两种模式之间很快地转换，例如在1/2400秒之内。

在恒电流模式下，可以控制电源18以改变输出电压，从而维持预设的焊接电流。随着正被焊接的构件升温，被焊接的构件中的相关的DC阻抗也增加。当被焊接的构件中的电流由于增加的阻抗而开始减小时，电流最终将降至预设的焊接电流之下。在这种情况下，为了维持被焊接的构件中的恒定电流，可以控制电源18以将供给电压增加到约12vdc（直流电压伏特）的最大设计量。随着焊接电流到达或超过预设的焊接电流，可以控制电源18以降低供给电压。

在恒电压模式下，可以控制电源18以改变输出电流，进而维持预设的焊接电压。当被焊接的构件中的电压开始降至预设焊接电压之下时，为了维持被焊接的构件中的恒定电压，可以控制电源18以将供给电流增加至约130,000amps（安培）的最大设计量。随着焊接电流到达或超过预设的焊接电流，可以控制电源18以降低供给电流。

电源18在焊接工艺期间可以通过连接到铁轨12、14端部的接点25而将电能导向铁轨12、14。需要注意，可以使用任意构造和任意数量的接点25。在一个示例中，在待焊接的各个铁轨12、14的端部可以使用成对的接点25，该成对的接点在铁轨12、14的相对侧分隔开。

如果需要，变压器26可以与电源18相关联。变压器26可构造为接收来自公共设施或其他源设备中的交流电，并且根据电源18的需求来转换电力。在一个示例中，变压器26可以接收具有频率为50-60Hz的480伏（交流电压）的交流电，并且将该交流电转换为最大值为12vdc和130,000amps的直流电功率。

控制器20可以根据传感器的输入和/或来自操作者的输入与焊接***10中的构件进行通信以调节铁轨12、14的闪光焊。控制器20可以体现为单个的或多个微处理器、现场可编程门阵列（FPGAs）、数字信号处理器（DSPs）等——包括用于根据不同的输入信号而控制锻造装置16和电源18的操作的装置。可以理解，控制器20可轻易体现为一般焊接***微处理器，并且能够控制多个焊接***功能和操作模式，或者，可选地专用于仅控制与电源相关的功能。如果控制器20与一般焊接***微处理器分开，那么控制器20可以经由数据链路或其他的方法与一般焊接***微处理器通信。许多商用微处理器可构造为执行控制器20的功能。控制器20可以与多种已知的电路关联，包括电源电路***、信号调节电路***、致动器驱动电路***（也就是，向致动器24供电的电路***，螺线管、电机等）以及通信电路***。

焊接***10可以与一个或多个传感器28相关联。例如，传感器28可以包括：与向接点25的供电相关联的电压和/或电流传感器；线性距离和/或速度传感器，其与由致动器24引起的铁轨12、14的移动关联；压力传感器，其与由致动器24施加在铁轨12、14的力关联；温度传感器，其与铁轨12、14两者之一或两者关联；或者本领域中已知的其他传感器。可以想到，按照需要，电压和/或电流传感器可位于电源18的主侧（电源18和变压器26之间）或者电源18的副侧（电源18和接点25之间）。各个传感器28可以构造为产生表示相应的测量参数的信号，并且将信号传递给控制器20。

图2示出了可以由控制器20根据传感器输入和/或操作者的输入而控制的示例性焊接工艺。以下将更加详细地说明图2以便更好地说明本发明的***及其操作。

工业适用性

对接接头的闪光焊能够以四个不同的阶段完成：包括平整闪光阶段（straight flashing stage）（如图2的步骤100所示），预加热阶段（如步骤110所示）、最后闪光阶段（如步骤120所示）、以及锻造阶段（如步骤130所示）。控制器20可以在这些阶段的各个阶段中以不同的方式调节电源18和锻造装置16的操作，以在铁轨12、14的端部之间形成高质量的焊缝。

平整闪光阶段可以被认为是初步阶段——在该阶段制备铁轨12、14的端部以备焊接。在此阶段中，可以向铁轨12、14的端部供电，以便烧掉各种可能存在的不规整物，由此使得端部平整。此时诸如铁锈、灰尘和油脂等杂质也被烧掉。通过平整铁轨12、14的端部，可以保证，端部的均匀加热，并且焊接工艺不会受到磨铣缺陷的影响。

在平整焊接阶段，控制器20可以控制/调节电源18以在恒电流的模式下操作并且开始焊接工艺。在此阶段，在恒电流的操作模式下，控制器20可通过选择性地调节高电压（例如，高至12vdc）在接点25处维持高电流（例如，大约80,000至85,000amps）。因为铁轨12、14起初可能较冷并且并没有趋向于较易熔化（还不能维持闪光），因此需要这些高的电压和大的电流。

预加热阶段可以是其中向铁轨12、14提供大部分所需焊接热量的阶段。通过从电源18向位于铁轨12、14的端部上的接点25发送的电脉冲——例如各脉冲持续时间为约2-4秒——的方式来提供该加热过程。在此阶段，可在脉冲期间通过力16将铁轨的端部移在一起，以助于形成铁轨端部的均匀加热，然后铁轨的端部在两个脉冲之间被移动分开，以有助于确保还不会形成永久的结合。与恒定的供应相反，可以以脉冲的形式供电，以有助于延长***部件的寿命。

在预加热阶段，控制器20同样可以调节电源18以在恒电流模式下操作。特别是，控制器20可在预加热阶段增加供给到接点25的电流（例如，大约80,000至110,000amps或更高），并且随着铁轨12、14升温，通过选择性地调节供电电压（例如，大约8-12vdc之间）可以维持恒定的高电流值。对于横截面较大的铁轨，可能需要提供该高电流值来提供高产焊接速率。可以想到，如果需要，在恒电流模式下在两个脉冲之间中，控制器20可以额外地控制电源18以在恒电压的模式下操作。

最后的闪光阶段可以被认为是将铁轨12、14强迫在一起以形成永久的焊缝之前的最后加热阶段。也可以通过从电源18向接点25发送电脉冲的方式来提供该加热过程，该加热过程以不断增加的速率不断地烧掉任何可能已出现在铁轨12、14端部的氧化物并且填充任何在之前的加热脉冲阶段形成的凹坑。

在最后闪光阶段，控制器20可以调节电源18以在恒电压模式下操作。具体地讲，控制器20可在最后闪光阶段降低电压（例如，在大约4.5-6vdc之间），并且通过随着铁轨12、14中的热量和阻抗改变而选择性地调整电流（例如，大约20,000至40,000amps之间）维持低电压。在一些情况下，有必要以相对高的电压来启动最后闪光阶段，然后将电压降至上述的较低水平。在最后闪光阶段的低电压可以提高最终焊缝的质量。

锻造阶段可以是焊接工艺的最后阶段（除淬火外），在该锻造阶段通过锻造装置16在极大的压力下迫使铁轨12、14在一起。可控制锻造装置16以将铁轨12、14移到一起，直到在致动器24中达到了期望的压力和/或直到实现铁轨12、14的朝向彼此的期望的线性移动。

在锻造阶段，控制器20可以调节电源18以在恒电流模式下操作。也就是，在锻造装置16将铁轨12、14移到一起之后，控制器20可通过根据铁轨12、14中的热量和阻抗的改变来改变电压（例如大约5-12vdc）从而以相对恒定的电流（例如大约35,000至100,000amps）持续向接点25提供电能。

本发明的***可具有能够在需要传统焊接工艺期间通常使用的电压的大约一半的电压的情况下执行期望的工作量的能力。使用一半的电压和相同量的电能表示使用的焊接电流实际上是双倍的（P=I*V）。该提高的焊接电流密度以及降低的电压可以形成高质量的铁轨焊缝。

本发明的焊接***也可以焊接具有不同的化学构造和/或不同的铁轨截面积的铁轨。特别是，调整电压以在铁轨中获得期望的电流或者调整电流并获得期望的电压的能力将使得工艺在温度、持续时间等方面更加灵活。对于本领域的技术人员而言，显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明的***和方法进行多种变形和改变。在考虑这里公开的说明书以及***和方法的实践的基础上，本发明的***和方法的其他实施例对于本领域的技术人员而言是显而易见的。本文的说明书和例子仅仅作为示例，由所附的权利要求和其等价权利要求来确定本发明的实际范围。

Claims (10)

1.一种焊接***（10），所述焊接***包括：

电源（18）；

锻造装置（16），构造用于保持和移动待焊接在一起的两个构件（12、14）的端部；

多个接点（25），其将所述电源连接到所述两个构件；以及

控制器（20），其与所述电源和所述锻造装置通信，所述控制器被构造用于：

在单个焊接周期的不同阶段中，调节所述电源以选择性地在恒电压模式和恒电流模式下操作；以及

在所述单个焊接周期的最后阶段，致动所述锻造装置以将所述两个构件的所述端部移到一起。

2.如权利要求1所述的焊接***，其特征在于，所述控制器构造用于根据所述单个焊接周期的正执行的阶段调节所述电源以选择性地在恒电压模式和恒电流模式下操作。

3.如权利要求2所述的焊接***，其特征在于，所述单个焊接周期包括平整闪光阶段、预加热阶段、最后闪光阶段以及锻造阶段；以及

所述控制器构造为调节所述电源以选择性地在所述平整闪光阶段、所述预加热阶段和所述锻造阶段在恒电流模式下操作，在所述最后闪光阶段在恒电压模式下操作。

4.如权利要求3所述的焊接***，其特征在于，所述控制器构造用于在所述平整闪光阶段调节所述电源以向所述多个接点提供电能，该电能具有大约80,000至85,000amps范围内的电流以及最大值大约为12vdc范围内的电压。

5.如权利要求4所述的焊接***，其特征在于，所述控制器构造用于在所述预加热阶段调节所述电源以向所述多个接点提供电能，该电能具有大约80,000至100,000amps范围内的电流以及大约8至12vdc范围内的电压。

6.如权利要求5所述的焊接***，其特征在于，所述控制器构造用于在所述最后闪光阶段调节所述电源以向所述多个接点提供电能，该电能具有大约20,000至40,000amps范围内的电流以及大约4.5至6vdc范围内的电压。

7.如权利要求6所述的焊接***，其特征在于，所述控制器构造用于在所述锻造阶段调节所述电源以向所述多个接点提供电能，该电能具有大约35,000至100,000amps范围内的电流以及大约5至12vdc范围内的电压。

8.一种将第一构件（12）闪光焊接到第二构件（14）的方法，所述方法包括：

至少在焊接周期的第一阶段中，将电源（18）调节在恒电流操作模式下以向所述第一和所述第二构件的端部供电；

至少在焊接周期的第二阶段中，将电源（18）调节在恒电压操作模式下以向所述第一和所述第二构件的端部供电；以及

在焊接周期的第三阶段，将所述第一构件移到所述第二构件中。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述焊接周期包括平整闪光阶段、预加热阶段、最后闪光阶段以及锻造阶段。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，

将所述电源调节在所述恒电流操作模式下包括在所述平整闪光阶段、所述预加热阶段和所述锻造阶段将所述电源调节在所述恒电流操作模式下；以及

将电源调节在所述恒电压模式下包括在所述最后闪光阶段将所述电源调节在所述恒电压模式下。

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