CN1255418A - 短路焊机 - Google Patents

Abstract

一种在两个管段之间的槽处短路电弧焊接两个管段的两个隔开端部的设备和方法。该方法和设备包括使用有芯金属电极,并且在焊接操作期间把电极向槽运动。有芯电极通过一个电气循环熔化,该循环包括一个传送部分和一个等离子体部分。控制等离子体部分,以桥接在管段之间的间隙。有芯电极最好是自保护电极,并且在芯中包含合金化成分。该设备和方法具有一个控制整个焊接过程的各循环的极性的选择器。

Description

短路焊机

本申请是1998年1月9日提出的先前共同待决申请S.N.09/004,707的部分继续。

本发明涉及借助于电弧的焊接技术，更具体地说，涉及一种用于短路焊接，特别是用于把诸如两个管段之类的两块钢板焊接在一起，的改进方法和设备。

本发明涉及在美国专利证书No.4,972,064中描述的一般类型的溅射受控***和加热控制***的改进。在此编入该先前颁发的专利供参考，该专利是背景信息，用于在本发明特别指向的溅射控制领域的概念讨论。

还编入美国专利证书No.5,676,857供参考。该先前颁发的专利在此偏入供参考，用作背景信息和用于把管段焊接在一起的讨论。

本发明涉及使用可消耗电极的电弧焊接领域，并且更具体地说，涉及一种通过使用有芯电极把诸如两个管段之类的两块钢板短路电弧焊接在一起的改进设备和方法。

在焊接大直径管端部的技术中，按常规是加工每根管的端部，以提供一个外部坡口和一个窄的平台阶；及把加工的端部轴向对准，使台阶靠紧，但通常有间隔关系以形成一条包括在管的两个端部之间的间隙的焊接槽。一旦管子到位，一个或多个焊头就绕管子运动，以便实现360°的焊接。焊接通常以几个步骤进行。首先，完成根部焊道，其中至少熔化管子的内边缘或台阶，并且在台阶之间的间隙中填充焊接金属。此后，完成几条填充剂焊道，在其中填满由坡口形成的空隙，从而焊接金属至少与管子的外表面一样高。

刚好在根部焊道之前和期间，管子的端部必须彼此准确地对准，从而在两个管端部之间形成优质焊缝。根部焊道是焊接操作的非常关键部分。一旦完成根部焊道，就保证了管子的对准，并且能开始沿着线的下一个接缝的焊接。因而，在根部焊道期间，必须敷设100％完好的焊道。焊道的完好性意味着两个台阶的完全熔化明显透到管子的内表面、和台阶之间完全填充有焊接金属。焊接金属在间隙中的沉积是困难的，因为必须通过绕管子运动焊接头进行焊接，从而随着绕管子形成根部焊道，焊接位置从下手焊接、竖直向上或向下焊接至顶焊变化。在根部焊道期间，管段必须在整个根部焊道中保持对准，以便形成优质焊缝。一般地，把管子夹持在一起以保持管子在焊接期间对准。除焊接位置复杂和管子对准的担心之外，在根部焊道期间形成的焊接金属应该充满管段之间的间隙，但不允许焊接金属穿过间隙和累积在管子的内表面上。焊道应该相对于管子内部形成较光滑的表面，管子内部如果有的话也只有很小的进入到管内部的突出物。焊道在管内的过分突出能：1)产生与行进在管内部以检测管道***的完好性的设备有关的问题，和2)当流体经管道***传送时造成有害的流体混合和湍流。

为了克服焊道突入到管内部的问题，通常实际上从管内部形成根部焊道。这样一种焊接方法保证在根部焊道期间焊道的台阶受到控制，从而防止进入管线内部的有害突出。然而，这样一种焊接方法要求专门设计和高成本的设备。此外，这样一种焊接方法非常耗时，且在各种类型的用途中成本太高。而且，这样一种焊接方法仅能用于大直径管子。小直径管子不能在管子内部容纳焊接设备。防止焊道突入到管子内部的另一种焊接方法是，使用定位在管子内侧上且在管段之间的间隙上方的挡板或支撑靴。挡板防止在焊道的根部焊道期间，焊道突入到管段的内部。然而，挡板的使用也非常耗时，并且限于较大直径的管子。此外，挡板在多种情况下，在根部焊道的敷设期间被焊接到管段的内部。因此，以后必须除去挡板，在焊接板的除去期间，既可能成本较高，又可能不利地损坏焊道。

一种克服与过去管子焊接方法有关的多种问题的焊接设备公开在美国专利证书No.5,676,857中。该专利通过使用一个带有在绕管周缘的轨道上连续运动的两个焊接刮器的焊接设备，公开了一种对两个管段端部焊接的改进。焊接刮器包括一个专用短路电源，以把根部焊道施加在管子的两个端部之间。该发明公开了，通过使用具有适当刮器速度和焊丝速度的这种焊接***，经坡口的每个边缘只有轻微的烧伤出现，并且一个小的平焊缝形成在管子的内部，由此消除了从管子内部伸展初始根部焊道或在管内侧使用诸如挡板之类的其他类型设备的需要。尽管在美国专利证书No.5,676,857中公开的焊接方法克服了与把管段焊接在一起有关的几个问题，但与根部焊道的焊接金属合金成分、和保护根部焊道不受大气的不利影响有关的问题仍是一个问题。

短路电源设计成借助于一根实心线电极使用，并且在焊接期间，通过使用各种类型的保护气体和保护气体的混合物保护焊接金属免受大气的影响。尽管实心线和保护气体的使用在多种情况下产生优良的焊道，但短路焊接方法当用来把管段焊接在一起时有几种限制。因为使用实心线电极，所以焊道成分限于在短路焊接中使用的电极的可用合金成分。焊接金属的成分应该密切地与金属管的成分相匹配，以形成坚固和耐用的焊道。因为管子的成分将依据管子所使用的用途而变化，所以产生与得到形成焊接金属的实心线电极有关的问题，该焊接金属以最佳的性能连接管段。

短路焊接过程的另一种限制在于，必须使用保护气体来保护焊道免受环境的不利影响。焊接设备必须包括用来存储保护气体和把保护气体引导到焊接区域的装置。这样一种装置必须包括用于保护气体容器的安装装置、调节器、流量计、软管、和在焊接期间把保护气体引导到焊接区域所必需的其他材料。保护气体防止大气中的氧、氮、氢、和其他化合物与熔化的金属起反应和/或被捕获在熔化金属中。这些元素导致焊道中的气孔、焊道的破裂、焊接金属的溅射等，这能显著损害焊道的强度和质量。保护气体在受控室内环境中的使用，在防止环境对焊道的不利影响方面是有效的；然而，保护气体在室外环境中的使用，在焊接期间对风的影响高度敏感。为了使这些影响最小，绕电极的周界必须建立专用屏蔽，以在焊接期间保护保护气体不受风的影响。使大气对焊道影响最小的这种屏蔽或其他焊接配置的使用，既昂贵又显著，使焊接设备布置复杂。

鉴于与在各种类型的环境中的管段焊接、和用来产生具有基本上类似于正在焊接在一起的管子成分的成分的高质量焊道有关的问题，需要一种在管子焊接期间能克服这样的问题的改进焊接方法和设备。

本发明涉及一种把两块钢板，最好在钢板的一侧，短路电弧焊接在一起的方法和设备。最好，短路电弧焊接的方法和设备用来把管段同时焊接在一起，并且形成两个管段之间的根部焊道；然而，本发明具有更广的用途，并且能用来在各种环境中以各种方式把各种金属物体焊接在一起。

根据本发明的最佳实施例，提供有：两个管段，定位在一起并且在两个管段的端部之间形成一条槽；一个焊接支架，绕由两个管段形成的槽定位；一根可消耗有芯电极；一个带有正和负端子的电源；一个焊接电流电路，跨过管段之间的槽和可消耗有芯电极，施加具有给定时基外形的焊接电流。管段最好通过使用夹紧装置对准。夹紧装置把管段保持在一起，至少直到根部焊道已经施加到管段之间槽上。最好管段对准，从而在由两个管段形成的槽中存在一个小间隙。焊接支架最好至少绕槽的圆周延伸180°，并且最好绕槽的圆周延伸360°。焊接支架设计成，当它绕槽的圆周运动时，沿绕管子周缘固定的轨道滑动。焊接支架包括一个与滚子或其他类型的滑动轴承连接允许焊接支架沿绕槽的圆周的轨道以希望速度滑动的驱动电机。焊接支架包括一个在焊接过程期间可控制地向槽运动可消耗有芯电极的机构。用来控制有芯电极运动的机构可以与焊接期间用来可控制地绕槽运动支架的机构装在一起，或者与之分离。焊接电流电路包括一个在短路状态期间用来控制电流流动的第一电路，其中在可消耗有芯电极端部处的熔化金属通过表面张力作用主要传送到槽内的熔化金属池中。传送电流包括跨过短路熔化金属的大电流收聚脉冲，该脉冲有助于熔化金属从电极向焊池传送。焊接电流电路还包括一个产生熔化电流的第二电路。该熔化电流是穿过电弧的大电流脉冲，当电极远离焊池时，该电弧最好具有用来熔化在可消耗有芯电极端部处的相对恒定量金属的预选择量的能量或瓦特数。

根据本发明的另一方面，有芯电极包括一个在有芯电极内的焊剂***，以在焊接过程期间提供保护气体。

根据本发明的另一方面，可消耗有芯电极包括在芯中的合金金属，以便得到基本上与焊接在一起的管子成分类似的焊道成分。具有与管段成分密切匹配的成分的焊道形成坚固、耐用、高质量的焊道。一些有芯电极需要保护气体，特别是当用来熔化合金时。

根据本发明的另一方面，焊接电流电路的第二电路在发弧状态的初始部分期间提供高能增加。当焊丝远离焊池时，大电流增加最好具有用来熔化可消耗焊丝端部上的较恒定体积金属的预选择的I(t)面积、或能量。在等离子体增加期间产生的能量最好足以产生具有不大于焊丝直径两倍的直径的球形金属丸。最好在初始大电流等离子体增加电流之后，在预定时间段内保持大电流，并且然后接着在一个时间段上衰减，直到希望量的能量或瓦特数施加到电极上以熔化希望体积的电极。

根据本发明的又一方面，焊接电流电路限制指向电极能量的量，以便防止在焊道施加期间管段端部的不必要熔化、和/或在焊接期间保持焊道过热，由此防止熔化金属穿过管段端部之间的间隙和进入管段内部。

根据本发明的另一方面，焊接电流电路包括一个产生本底电流的电路。本底电流是在短路状态结束之后保持刚好维持电弧必需的值以上的低值电流。本底电流最好在整个焊接循环中保持，以保证在焊接期间电弧不会偶然熄灭。

根据本发明的另一方面，焊机包括一个在焊接过程期间用来在极性之间移动以得到希望焊池热量的控制器。

通过使用林肯电气公司(Lincoln Electric Company)的STT焊机、或借助于有芯电极由该焊机实施的STT短路焊接过程，得到一种无气体焊接过程。这允许在世界偏远区域中的管子焊接。当使用自保护有芯电极时，极性通常是阴电极。当使用STT焊机的阴电极过程时，工件池是热的，并且池的冷却需要允许焊道缩回的时间。因此，STT过程涉及减小本底电流以减小池中的热量。该校正减小了整个焊接过程中的热量。通过把STT焊机的极性颠倒成阳电极状态，工件池成为过冷。根据本发明的一个方面，STT焊机或过程在整个焊接过程期间在标准阴电极极性至阳电极极性之间移动。以这种方式，控制热量而不改变本底电流的值。通过调节负电极与正电极焊接的比值，把池的加热控制到选择的温度。

本发明的主要目的在于，提供一种在两块金属板之间形成高质量焊道的短路电弧焊接***和方法。

本发明的另一个目的在于，提供一种在把两块金属板焊接在一起期间准确跟踪希望电流分布的短路电弧焊接***和方法。

本发明的又一个目的在于，提供一种沿两个管段端部之间的槽形成高质量根部焊道的短路电弧焊接***和方法。

本发明的再一个目的在于，提供一种把控制量的能量施加到电极上以在两个管段之间的槽中形成焊道、而不会使熔化金属穿过槽且进入管子内部的短路电弧焊接***和方法。

本发明的另外一个目的在于，提供一种形成焊道而不需要外部保护气体的***和方法。

本发明的另外一个目的在于，提供一种如上定义的产生具有基本上与要焊接的管子的成分类似的焊道的***和方法。

本发明的又一个目的在于，在短路焊接设备中使用有芯电极以形成高质量焊道。

本发明的另外一个目的在于，提供一种短路焊接的设备和方法，该设备和方法涉及在焊接过程期间改变焊接电流的极性。

本发明的另一目的在于，提供一种设备和方法，该设备和方法在一个循环或从一个循环到下一个循环期间通过调节阳电极电流与阴电极电流的比值控制焊池的热量。

本发明的另一目的在于一种STT焊机的操作，而不需要保护气体，并且通过极性比值调节来控制焊池温度。

由如下与附图一起进行的描述，其他目的和优点将成为显然。

图1是连线图，表明本发明焊接控制电路的宽广方面；

图2是两个管段端部之间的槽和在形成根部焊道的槽中的电极位置的部分视图；

图3是电极管嘴和其中的有芯电极的剖视图；

图4是曲线图，表明在本发明中使用的***和方法中采用的单个焊接循环的代表性曲线外形，其中电极是正触点而工件是负触点；

图5是类似于图4中所示的单个焊接循环的颠倒曲线外形，其中电极是负的而工件是正的；

图6是使用短路程序在焊接过程中实现选择焊接循环的极性的方法的一种焊机的连线图；

图7是具有直线极性的焊接电流的曲线；

图8是具有相反极性的焊接电流的曲线；

图9是在本发明所示的实施例中使用的极性选择器的方块图；

图10是焊接电流的曲线，表示最佳实施例的一种改进；及

图11是在焊接过程期间用来从一个极性移动到另一个极性的极性选择器的方块图；

现在参考其中表示仅为了表明本发明最佳实施例的目的而不是为了限制本发明的目的的附图，图1表明连接到一个直流电源上的一种短路电弧焊接***。最佳类型的短路焊接是表面张力传递(SURFACE TENSION TRANSFER)或STT类型的焊接。用于该类型焊接的焊接电路和控制装置公开在美国专利证书No.4,972,064中，该专利包含在这里。因此，下面将只进行焊接电路的一般讨论。

电源是最好由诸如煤气发动机之类的马达10组成的直流电源，马达10向一个发电机12供给动力以产生交流电流13。交流电流13然后由整流器14整流以形成直流电流20。一个相控制器16控制整流器14以产生基本均匀的直流电流20。直流电流20然后引导到一个脉冲宽度调制器30中。脉冲的形状由成形电路32控制，由此用直流电流20经输出端子34、36产生希望脉冲。如能理解的那样，电源不必是整流的输出，而能是任何其他适当的直流源。

来自脉冲宽度调制器30的直流电流穿过一个包括可消耗有芯电极50和工件60的焊接区域。

参照工件60的焊接，电极50在电极50与工件60接合时的短路状态、与其中电极50远离工件60的发弧状态之间交替。在发弧状态期间，为了在以后的短路状态下随着电极向工件进给而熔化电极端部和保持熔化的目的，在工件60与电极50之间产生电弧。该类型的焊接循环示意地表明在图4和5中。如图4和5中所示，焊接循环在短路状态与等离子体状态之间交替。

在等离子体状态期间，为了平滑和有效焊接的目的，必须在所有时间都产生和保持电弧。为了在焊接循环期间在各时刻减小溅射的目的，必须准确地控制每秒重复几次的焊接循环。脉冲宽度调制器30以高频工作。在最佳实施例中，脉冲宽度调制器控制器30的工作频率是20kHz，连续电流脉冲的宽度由在来自形状控制器32的线路33上的电压确定。由于反馈控制***在焊接循环中要求较大的电流，所以在线路33上出现较高的电压，导致在来自脉冲宽度调制器30的下一个脉冲期间的脉冲较宽。因而，用于焊接循环的要求电流每秒变化220,000次。因为焊接循环的最高速率一般在每秒100至400个循环左右，所以在每个焊接循环期间提供多个更新脉冲。按照已知的实践，焊接电流电路包括一个带有一根用来控制开关42的输出线路40的预告电路。

焊接电路按照脉冲宽度调制器控制器30的操作把电流引导到工作区域，直到在收聚循环期间dr/dt(其中r是电极电阻)、di/dt或dv/dt指示一个即将到来的熔化。当该检测出现时，在线路40上的逻辑电平改变极性以断开开关42。这把电阻器或缓冲器39安置成与主扼流器38串联。由于主扼流器具有小的感抗，所以非常少的能量存储在焊接电流电路中。因此，由电极与工件之间的焊接电路引起的电流流动立即下降到由电阻器39确定的值。

按照本发明，有一个添加到在焊接电流电路上的一般并联本底电流电路。该本底电流电路跨过工件连续提供五到七安培的电流，而与焊接电路的工作状态无关。结果，本底电流保证在焊接循环期间在所有时刻都有至少五到七安培的电流在电极与工件之间通过，由此防止在焊接循环的任何阶段期间在电极与工件之间的电弧熄灭。

参照图2和3，管边缘70表明每个带有在管边缘之间形成一个槽的斜面72。管边缘离开，从而在管边缘之间存在一个间隙74。按照已知的实践，最好通过夹持装置把管边缘定位并且固定在一起，直到至少根部焊道施加到管边缘之间的槽上，由此填充间隙74。一根管子地线78接合管子，以在电极50与管子之间完成电弧电路。电极50通过电极管嘴80引导到两个管端部之间的槽中。在焊接循环期间，电极穿过电极管嘴80进给，以便把电极端部处的熔化金属传送到管端部之间的槽中以形成根部焊道。

参照图3，电极50是包括一个外金属套52和一个电极芯54的可消耗有芯电极。最好金属电极套52由碳钢、不锈钢或某些其他类型的金属或金属合金组成。最好把金属套的成分选择成类似于管段的基础金属成分。电极芯54最好包括焊药和/或合金和金属。焊药可以包括在焊道上产生焊渣的化合物，以保护焊道直到它固化、以保持焊道到位直到它固化和/或在焊道形成期间保护焊接金属。焊药也可以包括产生保护气体以保护根部焊道免受环境的不利影响的成分。最好焊药成分包括在焊接期间产生保护气体的氟化物和/或碳酸盐，以消除在焊接期间对外部保护气体的需要。这样一种电极的使用大大地简化了焊接设备。消除了对用于外部保护气体的源和装置的需要。此外，不需要保护焊道免受环境影响的专用屏蔽，因为保护气体在焊道处形成，因而在所有类型的环境中保护焊道。形成在焊道上的焊渣进一步保护焊道免受环境影响，由此导致优质焊道的形成。至此，在该类型的短路焊接中没有使用焊药有芯电极。令人惊奇的是，焊药有芯电极在短路焊机中工作良好，并且形成适当保护焊道免受大气有害影响的保护气体和焊渣。合金添加剂最好也包括在电极芯54中。最好把合金添加剂选择成，合金添加剂结合金属电极套52的成分，形成具有基本上与金属管的成分类似的成分的焊道。焊药有芯电极向焊接方法和设备提供了这样的通用性：电极既能在焊接期间向焊道提供适当的保护，而不需要外部保护气体，又能借助于相同或近似相同的管金属成分形成焊道，由此在所有类型的环境中和对于各种各样的管金属成分形成高质量焊道。

现在参照图4和5，示意地说明本发明最佳实施例的操作。图4表示产生低溅射和防止焊道穿过间隙74而进入管道***的内部的希望电流分布。该电流分布划分成收聚部分、等离子体增加部分、等离子体部分和其中保持电弧的本底部分。在图4中表明的电流分布中，收聚部分110包括一个转折点112和一个预告电路工作点114。电流分布的等离子体增加部分120包括一个称作等离子体部分的衰减部分122。对于溅射控制***的操作是关键的等离子体增加部分是在衰减部分之前的恒定电流部分；然而，衰减部分122能称作等离子体增加部分的结束或等离子体部分的开始。在衰减部分122之后，电流控制电路移动到保持离子体或电弧的本底电流值100。

电流控制电路按照本发明保持一个预选择的本底电流值，由此防止通过电弧的电流值在任何时候下降到预选择电流的低电流值以下而使电弧熄灭。

电流控制电路设计成在焊接循环的等离子体增加和等离子体部分期间产生电极的所有熔化。当本底电流值100出现时，因为通过仅由本底电流保持的电弧不能得到熔化电极必需的IR，所以不会发生电极50的进一步熔化。因而，本底电流只用来保持电弧和处于熔融状态的熔融金属丸。选择在电极50末端处由离子体增加和等离子体部分形成的熔融金属量，以在电极末端处熔化预选择体积的熔融金属，并且一旦得到预选择的体积就把电流的等离子体部分减小到本底电流。还选择等离子体增加和等离子体部分的持续时间，以防止在管端部70的间隙74周围的金属的不必要熔化。金属的这种过熔化能导致焊接金属渗入管段的中间。在电流的等离子部分期间，在熔融金属丸在电极末端处的形成期间，大电流的喷射力迫使熔融金属离开焊池，直到预选择量的熔融金属已经在电极的末端熔化。一旦减小电流，就允许熔融金属形成丸，并且使槽中的熔融金属池稳定，由此允许在基本上为球形的丸与静止的焊接金属池之间的光滑接触。通过在焊接循环的等离子体部分期间把预选择量的能量或瓦特数引导到电极中，控制在电极末端处的希望量的熔融金属。在熔融金属丸正在电极末端处形成的所有时间期间，芯部成分释放保护气体，以保护熔融丸和间隙74中的焊接金属免受大气的影响。保护气体持续到熔融丸传送到间隙74中的熔融金属中。

一旦在焊接循环的等离子体增加和等离子体部分期间形成熔融金属丸，就通过把电极进给到池中迫使熔融丸进入熔融池中，由此形成短路状态。当熔融丸与熔融金属池接合时，它通过表面张力传送到池中。该作用使在池与电极中的焊丝之间延伸的熔融金属最终颈缩，并且然后发生丸与焊丝的断裂和分离。因为在分离期间只有小的本底电流，所以出现如果有也非常小的溅射。最好，电流控制电路监视熔融金属丸的颈缩，从而当通过电气凹点迅速减小颈的直径时，在收聚曲线110期间的电流流动逐渐增大，直到得到即将来临的熔化的检测。一旦出现即将来临的熔化的检测，就把电流减小到本底电流，直到在电极末端的熔融金属传送到熔池中。

图4和5表示一个标准STT短路焊接循环，图4中的循环把正端子施加到送进的焊丝50上。在该极性情况下，与图5中所示其中电极是负的标准STT焊接循环相比，熔融金属池较冷。利用标准负极性、或图5中所示阴电极状态的短路焊接过程，有增大熔融金属温度的趋势。这种情况通常通过减小STT焊机的本底电流来缓和。通过利用本发明的另一个方面，熔融金属池的温度由按照本发明工作的且如图6中所示的焊机200控制。焊机200随着电极或焊丝向工件60运动，在送进的有芯金属电极50的两端施加焊接脉冲。本发明的主要方面是有芯电极的使用。本发明的另外方面能使用实心焊丝电极。焊机200包括一个变换器形式的切换型电源202，该变换器带有由脉冲宽度调制器204控制的切换脉冲，连续电流脉冲的宽度由误差放大器206输出处的电压确定。该放大器从与实际电弧电流成比例的电流支路208接收电压。输入线210把当前电压引导到放大器，放大器有来自标准控制器220的在线212中的希望电流信号。控制器220产生在线212中的电压，该电压设置在变换器或电源202的输出处分别迅速出现的电流脉冲的宽度。变换器202的输出级230包括一个带有连接到一个正整流器236和一个负整流器238上的中心抽头234的变压器232。在控制器220中的一个极性选择器，当电源的输出具有正极性时提供输出240中的逻辑电平，而当电源转移成负极性时提供输出线242中的逻辑电平。每个带有一个标准缓冲器244的开关Q1、Q2用来控制电感器L1中的电流，电感器L1带有由开关Q1控制的一个正极性部分250和一个由开关Q2控制的负极性部分252。在线240中的逻辑电平闭合开关Q1，使电流流经电感器部分250。在线242中的逻辑电平改变极性，使电流流入电感器L1的负极性部分252中。只要借助于线240中的逻辑电平使极性是正的，则STT焊机产生正的电流脉冲，以给出图7中所示的正极性电流循环。焊接循环300表示为正循环，所有电流都具有正极性。循环300具有在短路出现时的开始点t₁。本底电流向零减小。此后，收聚电流302使短路的金属丸借助于张力传送和电气收聚传送，直到产生颈缩，如在304处所示。电流如在部分306处指示的那样再次急降，以减小溅射。在金属已经通过电气收聚作用传送之后，由具有最大电弧电流的等离子体增加脉冲310重新建立等离子体状态。等离子体增加脉冲310的区域确定在送进焊丝电极50末端处的熔融金属丸的总尺寸。在增加脉冲之后，电流具有在本底电流314处结束的时间常数收尾312。在316处出现下一个短路。只要逻辑1出现在输出24中，迅速产生的电流脉冲就具有正极性，如图7中所示。在接收到输出线242中的逻辑一时，焊接操作的极性颠倒。产生颠倒的或负极性的循环320，如图8中所示。按照本发明的该方面，正极性电流循环300和负极性电流循环320的数量受到控制，以在焊接操作的熔融金属池中得到希望的热量。如果池太冷，则相对于正电流循环320的数量而增加负极性循环320的数量。希望的比值通过控制器220中的适当选择器电路得到，该选择器电路示意地表示在图9中，其中选择器电路是用软件实现的、带有一个非颠倒输出240和一个颠倒输出242的触发器350。该输出由一个异门电路352选择，异门电路352带有由一个数字译码器354控制的一根设置输入线352a和一根复位输入线352b。在循环通过短路开始的时刻t₁，输入360接收输入初始脉冲。译码器354的调节输入362、364设置在输入362处的正电流循环的数量与在输入364处的负电流循环的数量的比值。通过调节这两个输入，选择正电流循环300对负电流循环320的比值，以控制焊接过程的热量。为了改变热量，通过改变在输入362和364处的数据操纵该比值。

尽管本发明该方面的最佳实施例涉及在焊接过程期间正电流循环300与负电流循环320之间的比值的选择，但已经想出一种可选择的控制概念，其中按照标准负极性循环启动每个循环320，然后在循环中的预选择点处转移到正极性循环。本发明的该方面表明在图10中，其中电流循环400按照负极性循环开始，收聚电流部分402后面是标准等离子体增加电流部分404。按照本发明的该方面，迅速产生的电流脉冲的极性在等离子体增加部分404的结束410之后转移。在点x处的转移是在时间延迟TD之后。因而，借助于在点x处的瞬时极性转移，把收尾部分420划分成一个负部分422和一个正部分424。此后，电流循环是正极性，直到循环的结束430。触发器350转移逻辑状态，以等待后沿检测器454的下一个输出，如图11中的选择器S′中所示。在等离子体增加部分的结束处，检测器454读在输入452处的后沿，以开始在输入460处具有人工调节时间的时间延迟456。以这种方式，通过选择用来颠倒焊接循环400的极性的时间延迟，确定焊池的热量。为了控制焊接操作的热量，能进行其他改进，以对来自STT焊机的电流脉冲进行正极性与负极性之间交替。

参照最佳和可选择的实施例已经描述了本发明的诸方面。其他改进是显然的，并且在本发明的范围内。

Claims (66)

1.一种通过利用一个带有一个焊丝进给器的焊接刮器和一个沿工件外周缘上的轨道驱动焊接刮器的机构来焊接一个第一工件的端部和一个第二工件的端部的方法，该方法包括：

a.在所述焊接期间沿所述轨道连续地运动所述刮器；

b.把初始焊道施加到在其间由所述第一和第二工件形成间隙的所述第一和第二工件的相邻端部上，并且使用进给到所述工件的焊丝以形成一个在工件端部之间的池；及

c.在所述初始焊道期间，改变所述焊接刮器的速度和/或所述焊丝的进给速率而不停止所述焊接刮器，同时所述焊接刮器连续地在所述工件上的所述轨道附近运动，以保持焊丝的端部在焊池前面。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在初始焊道后施加另外的焊道。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述焊丝是一根焊药有芯金属电极。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述焊药有芯金属电极是自保护电极。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中所述焊药有芯金属电极包含在芯中的合金化成分，以形成具有与所述两个工件的成分基本上相类似的成分的所述根部焊道。

6.根据权利要求1-5所述的方法，其中所述初始焊道通过使用包括一个短路传送部分和一个受控熔化部分的电波制成。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述受控熔化部分从包括把预选择量的能量施加到电极上或把预选择量的功率施加到所述电极上的组中选取。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述受控熔化部分具有在每个焊接循环期间用来熔化相对恒定体积的所述电极的预选择的I(t)区域。

9.根据权利要求6-8所述的方法，其中所述电波的所述熔化部分包括一个预选择开始大电流部分和一个衰减电流结束部分。

10.根据权利要求6-9所述的方法，其中所述电波限制送到所述焊药有芯电极上的所述能量，以防止熔融金属穿过所述间隙。

11.根据权利要求6-10所述的方法，其中所述电波的所述传送部分包括在短路状态结束处的大电流脉冲，并且施加所述脉冲直到正好在所述短路状态的预计结束之前。

12.根据权利要求6-11所述的方法，其中所述电波包括本底电流，所述本底电流具有大电感分量、和具有正好在整个每个焊接循环中保持的短路状态结束之后维持电弧必需的值以上的小值。

13.根据权利要求6-12所述的方法，其中在所述焊道铺设期间控制电波的极性。

14.根据权利要求13所述的方法，其中在所述熔化部分的至少一部分期间，把所述电波的所述极性保持为正极性。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中在所述熔化部分的至少一部分期间，把所述电波的所述极性保持为负极性。

16.根据权利要求13-15所述的方法，其中所述电波包括一列小宽度电流脉冲，每个脉冲具有所述焊丝相对于所述两个工件给出的电气极性。

17.根据权利要求13-16所述的方法，其中所述电波的极性在焊接循环的开始处在第一极性与第二极性之间移动。

18.根据权利要求17所述的方法，其中对于第一数量的连续焊接循环选择所述电波的一种极性，而对于第二数量的连续循环选择所述电波的另一种极性。

19.根据权利要求18所述的方法，其中连续焊接循环的所述第一数量不同于连续焊接循环的所述第二数量。

20.根据权利要求16-19所述的方法，其中所述电流脉冲具有大于约10kHz的频率。

21.根据权利要求13-20所述的方法，其中所述电源包括一个中心抽头的电感器，该电感器带有一个产生所述第一极性的第一部分和一个产生所述第二极性的第二部分，所述第一部分跨过所述焊丝和所述工件通过闭合一个第一开关开连接，所述第二部分跨过所述焊丝和工件通过闭合一个第二开关开连接，所述第一开关和/或所述第二开关在给定焊接循环中的选择位置处闭合。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述选择位置是在所述给定焊接循环的开始处。

23.根据权利要求13-22所述的方法，其中所述电波的极性作为以一种极性施加到所述焊丝和所述熔池上的能量的累计量、和以另一种极性施加到所述焊丝和所述熔池上的能量的累计量的函数而交替。

24.根据权利要求6-23所述的方法，其中所述电源是一个带有一个驱动一个整流器的输出变压器的变换器。

25.根据权利要求6-24所述的方法，其中所述电波通过使用一个表面张力传送(STT)电源制成。

26.根据权利要求1-25所述的方法，其中相对于所述焊池观察焊丝的端部。

27.根据权利要求1-26所述的方法，包括当焊接刮器在周缘附近运动时响应焊池的观察来改变所述刮器的速度和/或所述焊丝的进给速率。

28.根据权利要求1-27所述的方法，其中改变由一个焊丝进给器排出的焊丝速度，并且改变所述焊接刮器的速度。

29.根据权利要求1-28所述的方法，其中由一个焊丝进给器排出的焊丝速度是绕轨道的焊接刮器的速度的函数。

30.根据权利要求1-29所述的方法，其中远程改变焊接刮器的速度。

31.根据权利要求1-30所述的方法，其中所述焊接头在所述第一与第二工件端部之间摆动。

32.根据权利要求31所述的方法，其中所述摆动的宽度是可调节的。

33.根据权利要求1-32所述的方法，其中所述焊接头离所述第一和第二工件端部的高度是可调节的。

34.根据权利要求1-33所述的方法，其中所述焊接头相对于所述第一和第二工件端部的角度是可调节的。

35.一种用来在一个第一工件和一个第二工件之间的间隙处焊接其两个隔开端部的设备，该设备包括：

a.一个焊接支架，紧密地相邻所述间隙定位；

b.一个电源，连接到所述电气支架上；

c.一个焊接刮器，包括一个焊丝进给器、一个焊接头、一根焊丝、及一个绕所述工件周缘引导所述焊接刮器的机构；

d.一个连接器，把所述刮器的焊接头连接到所述电源上；及

e.一个速度控制器，在焊道的形成期间在所述工件附近连续地运动焊接刮器，所述速度控制器在所述焊道形成期间控制所述焊接刮器的速度。

36.根据权利要求35所述的设备，其中所述焊丝进给器可控制地向所述间隙运动所述焊丝。

37.根据权利要求35或36所述的设备，其中所述焊丝是一根焊药有芯金属电极。

38.根据权利要求37所述的设备，其中所述焊药有芯金属电极是自保护电极。

39.根据权利要求37或38所述的设备，其中所述焊药有芯金属电极包含在芯中的合金化成分，以形成具有与所述工件的成分基本上相类似的成分的焊道。

40.根据权利要求35-39所述的设备，其中所述电源包括一个把电流供给到所述焊丝的焊接电流电路，所述焊接电流电路包括一个产生传送电流的第一电路、和一个产生熔化电流的第二电路，所述第二电路把足够量的电流施加到所述焊丝上，以在所述间隙中形成根部焊道。

41.根据权利要求40所述的设备，其中所述第二电路把预选择量的能量引导到所述焊丝，以在每个焊接循环期间熔化相对恒定体积的所述焊丝。

42.根据权利要求40或41所述的设备，其中所述焊接电路限制引导到所述焊丝上的能量的量，以防止熔融金属穿过所述间隙。

43.根据权利要求40-42所述的设备，其中在所述焊丝上的所述熔融金属与所述间隙形成短路状态之前，所述第一电路减小送到所述焊丝的电流量。

44.根据权利要求40-43所述的设备，其中所述第二电路产生一种衰减电流分布。

45.根据权利要求40-44所述的设备，其中所述第一电路控制在短路状态结束时的大电流脉冲，并且施加所述脉冲直到刚好在所述短路状态的预计结束之前。

46.根据权利要求40-45所述的设备，其中所述电源包括一个极性控制器，所述极性控制器至少在所述熔化电流的一部分期间保持正极性。

47.根据权利要求40-46所述的设备，其中所述电源包括一个极性控制器，所述极性控制器至少在所述熔化电流的一部分期间保持负极性。

48.根据权利要求40-47所述的设备，其中所述电源产生一列小宽度电流脉冲，诸电流脉冲构成带有一个短路传送部分和一个等离子体电弧熔化部分的焊接循环，在所述循环中的所述电流脉冲的每一个具有相对于所述两个工件的所述送进焊丝的给定电气极性，并且包括一个极性选择器，以在使所述焊丝是正的第一极性与使所述焊丝是负的第二极性之间选择所述循环中所述脉冲的极性。

49.根据权利要求48所述的设备，其中所述极性选择器包括在焊接循环的开始处在所述第一极性与所述第二极性之间的移动。

50.根据权利要求48或49所述的设备，其中所述极性选择器包括：一个译码器，具有用来对于第一数量的连续焊接循环选择所述第一或第二极性之一的第一状态、和用来对于第二数量的连续循环选择所述极性中另一个的第二状态；和一个在焊接操作期间用来在所述第一和第二状态之间交替的装置。

51.根据权利要求50所述的设备，其中所述第一数量不同于所述第二数量。

52.根据权利要求48-51所述的设备，其中所述循环每一个具有希望的电弧电流，并且包括一个检测实际电弧电流的支路、和一个把所述实际电弧电流与所述希望电弧电流相比较以控制所述电流脉冲的宽度的误差放大器。

53.根据权利要求48-52所述的设备，其中所述电源包括一个脉冲宽度调制器，以便以大于约10kHz的频率产生所述电流脉冲。

54.根据权利要求48-53所述的设备，其中所述电源包括：一个中心抽头的电感器，带有一个产生所述第一极性的第一部分和一个产生所述第二极性的第二部分；一个第一开关，用来在所述焊丝与所述工件之间连接所述电感器的所述第一部分；一个第二开关，用来在所述焊丝与所述工件之间连接所述电感器的所述第二部分；及所述选择器装置，包括用来在给定焊接循环期间闭合所述第一开关或所述第二开关的装置。

55.根据权利要求54所述的设备，其中所述闭合出现在焊接循环的开始处。

56.根据权利要求40-55所述的设备，其中所述电源是一个带有一个驱动一个整流器的输出变压器的变换器。

57.根据权利要求40-56所述的设备，其中所述电源是一个STT电源。

58.根据权利要求35-57所述的设备，包括一个当焊接刮器在所述工件的周缘附近运动时改变所述焊接刮器的速度和/或所述焊丝的进给速率的机构。

59.根据权利要求35或58所述的设备，其中远程改变焊接刮器的速度。

60.根据权利要求35-59所述的设备，其中所述焊丝进给器改变由所述焊丝进给器进给的所述焊丝的速度。

61.根据权利要求35-60所述的设备，其中由所述焊丝进给器排出的焊丝速度是绕所述轨道的焊接刮器的速度的函数。

62.根据权利要求35-61所述的设备，包括一个把所述焊接头在所述第一与第二工件端部之间摆动的机构。

63.根据权利要求62所述的设备，其中所述摆动的宽度是可调节的。

64.根据权利要求35-63所述的设备，包括一个调节所述焊接头离所述第一和第二工件端部的高度的机构。

65.根据权利要求35-64所述的设备，包括一个调节所述焊接头相对于所述第一和第二工件端部的角度的机构。

66.根据权利要求35-65所述的设备，包括一个调节所述焊接头离所述第一和第二工件端部的高度的机构。

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