[发明专利]直流正接旋转电弧焊接方法和系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是2011年12月16日提交的标题为“直流正接旋转电弧焊接方法和系统”的美国临时申请号61/576,850的非临时美国专利申请，该申请以引用的方式并入本文。

背景技术

本发明一般涉及焊接技术，并且更具体来说，涉及用于利用金属芯焊丝电极以获得增强的性能的改进过程，尤其是在自动焊接应用中。本披露涉及Summers等人在2011年7月1日提交的标题为金属芯焊接方法和系统的在先临时申请61/503,955，该申请以引用的方式并入本披露中。

已经开发出一系列用于通过焊接操作接合工件的技术。这些技术包括不同的工艺和材料，其中最现代的工艺涉及在消耗或非消耗电极与工件之间产生的电弧。这些工艺通常按如下种类分组：恒流工艺、恒压工艺、脉冲工艺等等。然而，这些工艺之间的其他划分是常见的，特别是在消耗电极来为焊接添加填充金属的工艺中。在几乎所有此类情况下，所选工艺与填充金属和其形式高度相关，其中某些工艺排他地利用特定类型的电极。例如，形成较大群组的一部分的某些类型的惰性气体保护焊(MIG)工艺有时被称为气体保护金属极弧焊(GMAW)和药芯焊丝电弧焊(FCAW)。

在GMAW焊接中，焊丝形式的电极由进行中的焊池所消耗，被电极焊丝与工件之间的电弧热量所熔化。焊丝通过焊枪从卷筒持续地供给，在焊枪处对焊丝赋予电荷从而产生电弧。这些过程中所使用的电极配置通常被称为固态药芯焊丝或金属芯焊丝。每种类型被认为与其他相比具有明显的优点和缺点，并且可以需要对焊接过程和焊接设置进行仔细调整来优化其性能。例如，实心焊丝虽然比其他类型便宜，但是典型地与可能相对昂贵的惰性保护气体一起使用。药芯焊丝可能不需要单独的保护气体供给，但是比实心焊丝昂贵。金属芯焊丝不需要保护气体，但是这些焊丝可能被调整成有时比实心焊丝所需要的那些便宜的混合物。尽管金属芯焊丝提供优于其他电极类型的明显优点，但是其采用范围尚未与实心焊丝一样广泛。

所有这三种电极类型都可以通过不同的转移方式使用，参考将金属从电极头移动到进行中的焊缝的机械和机电现象。存在许多这种转移方式，诸如短路转移、粗滴转移、喷射转移以及脉冲喷射转移。实际上，转移物理现象可以表现为这些的混合，并且尽管工艺和电极通常被选择成维持某一个转移方式，实际的材料转移可以在焊接过程中在它们之间转变。

虽然早已认识到金属芯焊丝电极鉴于许多原因而提供优于其实心和药芯对应物的优点，但是仍需要可以增强其性能和采用范围的过程改进。

发明内容

本披露概述设计来实现这些需要的过程和金属芯焊丝电极的新开发出的组合。所涉及的过程依赖于使电弧旋转或往复运动，有时被称为“旋转电弧”，典型地通过使电极头运动并利用金属芯焊丝电极。相当出乎意料的是，被迫电弧运动和某些类型的金属芯焊丝与特定工艺(例如，直流正接(DCEN)极性焊接)的共同使用被相信是提供了基于先前已知使用的旋转电弧技术或金属芯焊丝焊接技术无法获得或无法预测的非常实质性的改进。被进一步相信的是，电弧特征、焊池特征、温度分布、对工件的热输入以及渗透特征是被迫电弧运动与金属芯焊丝的协同作用所独有的。可以通过调整诸如工艺参数、金属芯焊丝的大小和类型、频率、运动的量和方式等等的因素来实现进一步增强。

附图说明

本发明的这些和其他特征、方面和优点将在参照附图阅读以下详细描述时变得更好理解，全部附图中相同字符代表相同部分，其中：

图1是利用本技术的各方面的示例性焊接系统的图解表示；

图2是用于图1的系统的金属芯电极的末端部分的详细视图；

图3是代表根据本技术的各方面的金属芯电极的运动的图解视图；

图4是利用金属芯焊丝的圆形路径运动的进行中的焊缝的图解表示；

图5是利用金属芯焊丝的椭圆形路径的进行中的焊缝的类似说明；

图6是利用金属芯焊丝的不同定向的椭圆形路径的进行中的焊缝的进一步说明；以及

图7是利用运动的金属芯焊丝电极的进行中的焊缝的示例性电弧位置和转移方式的说明；以及

图8是示出了金属芯焊接电极的运动的时序图和示例性被迫转移轨迹。

具体实施方式