CN106794542A - 气体系统及焊接方法 - Google Patents

Abstract

气体输送系统(10)在焊接工件(25)期间通过一个或多个软管将来自源(16)的保护气体输送到具有喷嘴(18)的焊枪(12)。保护气体控制器(56)包括入口(62)、出口(64)以及在入口(62)和出口(64)之间的至少一个阀(60)。阀(60)响应于预定最小保护气流设定点而操作。保护气体控制器(56)在焊接(32)之前或之后操作阀(60)，以根据预定最小保护气流设定点改变保护气体的流量。一种焊接方法，包括预先确定保护气体的流速、预先确定气体的另一流速、在焊接期间接近第一焊池(26)以第一流速分配气体、以及在对工件(25)的另一个焊接(32)的焊接期间，以不同于第一流速的第二流速分配保护气体。

Description

气体系统及焊接方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年7月7日递交的序列号为62/021,358的美国临时专利申请的优先权，该申请的公开内容通过引用全部并入本文中。

技术领域

本发明总地涉及气体系统、焊接系统和焊接方法，以及，更具体地，涉及自动化气体控制系统、焊接系统以及使用它们的方法。

背景技术

焊接是单独金属工件的冶金接合。通常，在焊接期间，两个工件彼此接近。每个工件的一部分通过利用连接到电焊电源装置的焊枪被局部应用加热而熔化，以在工件之间形成熔融金属池。加热工件通常使用焊枪实现，诸如金属惰性气体(MIG)焊枪或钨惰性气体(TIG)焊枪。众所周知，MIG焊接可被称为气体金属电弧焊接(GMAW)，并且TIG焊接可被称为气体钨电弧焊接(GTAW)。其他类型的焊接可包括气体焊接和药芯焊丝电弧焊接(FCAW)。在这些焊接过程的每一个中，通常将填充材料添加到熔融金属池(也称为焊池)中。填充材料可是金属棒或金属线(metallic wire)的形式。

一旦形成，焊池就沿着两个工件之间的预定路径平移或移动。当焊池被平移时，填充材料以受控的速率连续地供给到焊池中。在焊池前面的金属被熔化，而随着移动焊池金属和填充材料的混合物随着其冷却而固化。一旦熔融金属焊池冷却，在两个工件之间形成焊接接头。

虽然焊接可用焊枪手动执行，但是本发明是用于大体积制造操作的自动化焊接系统。这些系统通常包括机器人臂或其他机电铰接机以使焊枪相对于工件移动。通过对机器人臂编程，其可在精确的预选路径中或沿着由外部传感器校正的路径在工件上不断跟踪焊枪。金属线形式的填充材料可由金属线轴通过机器人臂上或在机器人臂附近携带的自动馈送器供给。

许多上述焊接过程需要保护气体(例如，惰性气体，诸如氩气)。例如，MIG焊接需要使用不活泼的保护气体来包围电极和焊池。保护气体替代熔融金属周围的正常大气气体。因此，保护气体在熔融金属和正常大气气体之间形成局部气体阻挡层或缓冲层。通过提供这种阻挡层，保护气体能够防止大气中不期望的气体与熔融金属反应。已知熔融或热金属可能与大气气体例如氮气和/或氧气反应，并且可能导致质量差的焊接接头。例如，含有不期望的反应产物(例如多孔性杂质和/或金属氧化物杂质)的焊接接头可表现出不可接受的性质，诸如差的机械强度和差的耐腐蚀性。因此，通常使用保护气体改善焊接质量。

对于那些需要保护气体的焊接系统，可使用用于将气体输送到焊枪的控制系统。气体控制系统可包括多个调节器和管道，以调节保护气体的压力并控制其输送最接近焊池。通常，使用流量计手动控制输送，其流量计可在耦连到气瓶或散装气体供应源的压力计下游。所需最小保护气体的连续输送是成问题的。

输送问题可由于气体阻挡层的变化而导致焊接接头的质量问题。焊池周围的气体阻挡层可由于许多原因而变化，例如，简单地由于与保护气体的供应的距离。简单的程序可用于处理焊池上保护气流的变化以及与不充足的保护气体相关联的问题。

一种常见的方法是在整个焊接过程中通过手动将流量控制设置为高水平来使用过量的保护气体。一旦设置，手动设置以后在焊接过程中不会调整。使用这种方法，即使气流可能存在变化，至少最小量的保护气体将总是存在。

考虑到现有焊接系统的问题，并且虽然焊接系统通常已经成功，但焊接系统的制造商及其客户继续力求改进他们的焊接系统和焊接过程，特别是在焊接质量和焊接质量一致性的同时降低成本。

发明内容

本发明克服了焊接系统的上述缺点和其他缺点。尽管将结合某些实施例描述本发明，但是应当理解，本发明不限于这些实施例。相反，本发明包括可包括在本发明的精神和范围内的所有替代物、修改和等同物。

根据本发明的原理，气体输送系统在焊接一个或多个工件期间将来自保护气体源的保护气体通过一个或多个管道或软管输送到具有喷嘴的焊枪。该气体输送系统包括保护气体控制器，该保护气体控制器包括用于通过一个或多个管道或软管接收来自保护气体源的保护气体的入口、保护气体从其流动到喷嘴的出口以及在入口和出口之间的至少一个阀。阀能够响应于预定最小保护气流设定点而操作。保护气体控制器在第一焊接之前或之后操作至少一个阀至少一次，以根据预定最小保护气流设定点改变来自喷嘴的保护气体的流量。

在一个实施例中，阀包括用于在焊接期间改变保护气体的流量的可变孔。

在一个实施例中，保护气体控制器改变孔的尺寸，以便在电弧启动序列期间相比于预定最小保护气流设定点增加或减少保护气体流速。

在一个实施例中，至少一个阀是比例阀。

在一个实施例中，每个阀与限流器相关联。

在一个实施例中，保护气体控制器还包括传感器，该传感器能够测量来自出口的实际气体流速并传送指示所测量到的流速的信号。

在一个实施例中，传感器检测焊接期间由传感器上游和下游的一个或多个管道或软管中的阻塞引起的保护气体流量的变化。

在一个实施例中，焊接过程序列包括第一焊接序列以及在焊接方向、工件几何形状或焊接速度中的至少一个方面与第一焊接序列不同的第二焊接序列，并且保护气体控制器根据预定最小保护气流设定点改变第一焊接序列和第二焊接序列之间的保护气体流速。

在一个实施例中，保护气体控制器在电弧结束序列期间相比于预定最小保护气流设定点来改变保护气体流速。

在一个实施例中，气体输送系统还包括与一个或多个管道或软管中的保护气体流体连通的传感器，其检测保护气体中的氮和/或其它污染物。

在一个实施例中，气体输送系统还包括与喷嘴流体连通的空气供应系统，用于将压缩空气供应到喷嘴。

根据本发明的一个方面，用于焊接一个或多个工件的焊接系统包括气体输送系统、具有喷嘴的焊枪，与焊枪电通信的焊机，提供焊枪与一个或多个工件之间的相对运动以沿着预定的焊接路径跟踪焊枪的机器人臂，用于计量到一个或多个工件的填充材料的馈送器以及与焊机、保护气体控制器和机器人臂可操作地通信的控制系统，该控制系统用于将包括所述第一焊接的第一焊接序列的预定最小保护气流设定点通信到气体输送系统。

在一个实施例中，焊接系统还包括与控制系统和焊接机可操作地通信的焊接质量控制系统。焊接质量控制系统检测第一焊接的质量和一个或多个后续焊接的质量，并且向控制系统发送指示各个焊接质量的信号。控制系统计算不同于预定最小保护气流设定点并且基于各个焊接质量的第二预定最小保护气流设定点。在对随后工件的各个焊接的焊接期间，控制系统将第二预定最小保护气流设定点通信到保护气体控制器。

在一个实施例中，系统还包括与控制系统和焊机可操作地通信的传感器。传感器在焊接期间检测来自焊机的电压和电流中的一个或多个，并且向控制系统发送指示来自焊机的电压和电流中的一个或多个的信号。控制系统计算不同于预定最小保护气流设定点并且基于指示电压和电流中的一个或多个的信号的第二预定最小保护气流设定点。在对随后的工件的各个焊接的焊接期间，控制系统将第二预定最小保护气流设定点通信到保护气体控制器。

在一个实施例中，保护气体控制器在电弧启动序列期间相比于预定最小保护气流设定点增加或减小保护气体流速。

在一个实施例中，焊接过程序列包括第一焊接序列和在焊接方向、工件几何形状或焊接速度中的至少一个方面与第一焊接序列不同的第二焊接序列，并且保护气体控制器根据来自控制系统的预定最小保护气流设定点来改变第一焊接序列和第二焊接序列之间的保护气流。

在一个实施例中，焊接系统还包括与一个或多个管道或软管中的保护气体流体连通的传感器，其检测保护气体中的氮。

在一个实施例中，焊接系统还包括与喷嘴流体连通的空气供应系统，其用于向喷嘴供应压缩空气。

在一个实施例中，在焊接期间，保护气体控制器从出口向控制系统输出与保护气体流速相关的信号。

在一个实施例中，焊机包括与控制系统通信的焊接质量控制系统。焊接质量控制系统被配置为评估第一焊接的质量。

在本发明的另一方面中，一种焊接工件的方法包括：(i)基于对工件的第一焊接的几何形状、焊接速度和焊接方向中的至少一个预先确定保护气体的第一流速；(ii)基于对工件的第二焊接的几何形状、焊接速度和焊接方向中的至少一个预先确定保护气体的第二流速，其第二焊接在几何形状、焊接速度或焊接方向中的至少一个方面与第一焊接不同；(iii)在对工件的第一焊接的焊接期间，以第一流速接近第一焊池分配保护气体；以及(iv)在对工件的第二焊接的焊接期间，以不同于第一流速的第二流速接近第二焊池分配保护气体。

在一个实施例中，第一焊接和第二焊接是对工件的连续焊接。

在一个实施例中，第一焊接处于多个焊接的第一焊接序列中，并且以第一流速分配保护气体包括针对第一焊接序列中的每个焊接维持第一流速。

在一个实施例中，第二焊接处于多个焊接的第二焊接序列中，并且以第二流速分配保护气体包括针对第二焊接序列中的每个焊接维持第二流速。

在一个实施例中，焊接方法还包括焊接不同于第一工件的第二工件。焊接第二工件包括在对第二工件的第三焊接的焊接期间，接近第三焊池以第一流速分配保护气体。第三焊接在对第二工件的几何形状、焊接速度和焊接方向中的至少一个方面与第一焊接相同。

在一个实施例中，该方法还包括焊接不同于第一工件的第二工件。焊接包括在对第二工件的第三焊接的焊接期间，接近第三焊池以第一流速分配保护气体。第三焊接在对第二工件的几何形状、焊接速度和焊接方向方面与第一焊接相同。

在一个实施例中，该方法还包括监测对工件的第一焊接的质量，以及基于第一焊接的质量，在第一焊接的焊接期间和/或在对该工件之后的第二工件的焊接期间改变第一流速。

附图说明

并入本说明书并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与下面给出的详细描述一起用于解释本发明。

图1是根据本发明的实施例的焊接系统示意图；

图2是使用中的示例性焊枪的局部横截面图；

图3A是根据本发明一个实施例的保护气体控制器的示意图；

图3B是根据本发明一个实施例的保护气体控制器的示意图；

图3C是根据本发明一个实施例的保护气体控制器的示意图；

图4A和4B描绘了不同示例性的焊接几何形状和焊接序列；以及

图5是根据本发明一个实施例的用于与焊枪一起使用的漏斗状装置的侧视图。

具体实施方式

参考图1，本发明的实施例总体上涉及用于生产一致高质量的焊接接头的焊接系统10。在这方面，系统10的实施例控制整个焊接过程的保护气流，包括在该过程的特定部分期间气流的变化。虽然下面更详细地描述了这一点，但是一般来说，保护气流被控制并且可在焊接序列开始之前和期间、从一个焊接序列到下一个焊接序列、从一个焊接到下一个焊接、在焊接序列末尾、在基于外部输入的焊接序列期间和/或在焊接序列结束之后而改变。在本发明的一个实施例中，焊接系统10基于每个焊接来改变保护气流，例如在连续的焊接序列上，并基于用于该特定焊接序列和/或焊接的预定保护气流设置。有利地，本发明的实施例减少保护气体消耗，同时维持或改善焊接质量和焊接质量一致性。

除了控制保护气流之外，在本发明的一个实施例中，系统10可在焊接质量明显下降之前监测、识别和/或预测系统10的一个或多个部件的维护问题。因此，系统10可包括预防性维护功能。应当理解，如本文所述的焊接系统包括但不限于气体金属电弧焊接(GMAW)、气体钨电弧焊接(GTAW)、等离子电弧焊接或等离子切割系统。

具体地，参考图1，在本发明的一个实施例中，焊接系统10包括电耦连到焊机14并流体耦连到一个或多个保护气体16的供应的焊枪12，例如微量(例如约1％至约2％)的氩(Ar)、二氧化碳(CO2)、氦(He)、氧(O2)或其组合。作为示例，示例性的焊枪12可是金属惰性气体(MIG)焊枪、钨惰性气体(TIG)焊枪或等离子焊枪。保护气体16的供应包括但不限于高压瓶或散装气体存储系统，如图所示。

根据使用MIG焊枪的示例性焊接过程，参考图2，焊枪12可包括包围导电管19和电极20的喷嘴18。保护气体可在电极20和喷嘴18之间排出，以形成气体阻挡层22。焊机14(图1)电耦连到电极20并在电极20和金属工件25之间提供产生电弧24所需的电功率。电弧24足以熔化每个工件25和电极20，以便产生包括工件25的金属和来自电极20的金属的混合物的焊池26，因为电极20被计量到焊池26中。应当理解，可将金属供应到与电极20分离的焊池26，诸如在TIG或等离子过程中，电极在该过程期间不意图被消耗。在一个实施例中，系统10的每个电极20仅包括单个保护气体供应16。

焊池26通过气体阻挡层22与大气气体28分离。焊枪12可如箭头30所指示的相对于工件25移动。通过该运动，焊池26和保护气体16与焊枪12一起移动。电弧24熔化工件25的更多金属，以在移动方向30上与熔化的电极20混合，并且随着焊枪12的运动30离开焊池26以冷却。当焊池26冷却时，形成焊接接头32。尽管未示出，但应当理解，两个或更多个工件可通过焊接接头32接合在一起。此外，虽然焊枪12相对于工件25的方向是非正交的角度，使得焊枪12被称为“推动”焊池26，但是本发明的实施例不限于所示的特定方向。焊枪12可相对于焊池26以任何足以形成焊接接头32的方向定向，包括焊枪12被称为“拉动”焊池26的那些方向。

气体阻挡层22及其与焊池26的关系可影响焊接接头32的质量。气体阻挡层22由来自喷嘴18的保护气体流维持在焊池26周围。在每个特定的焊接过程中，存在保护气流的特征最小流量，其维持气体阻挡层22具有足够的体积以保护焊池26免受大气气体28的影响。将保护气流减少到针对该特定焊接过程的最小流量以下使焊池26暴露于大气气体28。在气体阻挡层22不足以保护焊池26的情况下，大气气体28可与焊池26中的热金属反应或以其它方式与焊池26中的热金属形成不期望的成分。结果，焊接32的性质可能在某点上或另一点上不足，从而导致质量差。作为示例，质量差的焊接包括具有显著的氮吸收的焊接，其最终在焊接32中引起多孔性或空穴，这降低了焊接32的强度。

在气体阻挡层22相对于焊池26过大的情况下，消耗过量的保护气体。虽然气体阻挡层22可充分地保护焊池26免受大气气体28的影响，但是对于过量的保护气体，观察不到对焊接过程或焊接32的重大益处。然而，过量的保护气体增加了焊接32的成本。来自喷嘴18的保护气体流量影响气体阻挡层22的尺寸。

通常，随着保护气体流量减少，气体阻挡层22的尺寸减小，反之亦然。其它因素也可影响焊接期间所需气体阻挡层22的最小尺寸。作为示例而非限制，供应给电极20以产生电弧24的功率、从电极20到工件25的距离、在移动方向30上的行进速度、焊接32的设计、工件25的几何形状以及气体阻挡层22上的风力阻力(wind draft)的位置和自由度可影响气体阻挡层22的最小尺寸。现有技术的流量控制程序未能考虑在焊接过程中的这些变化中的许多或全部下对保护气体流量的控制。

根据本发明的实施例，系统10将气体阻挡层22维持在提供优质焊接接头32所必需的最小尺寸或略高于该最小尺寸。通过考虑前面段落中标识的任何单一或所有变量，系统10可在焊接过程期间预先确定和设置保护气体流速。例如，因为气体阻挡层22的最小所需尺寸可从一个焊接序列到下一个序列而改变，系统10能够在每个焊接序列基础上甚至在每个焊接基础上改变保护气体流速。因此，系统10可改变保护气体流速以满足特定焊接所需的气体阻挡层22的最小尺寸。以这种方式，系统10通过减少或消除过量的保护气体消耗来最小化焊接成本。

为此，参考图1，系统10的实施例包括机器人臂40的示例性形式的机电机器，其焊枪12可固定在机电机器上。然而，没有必要利用机器人臂，因为已知能够相对于工件25操纵焊枪12的其他机器。其他机器可包括能够沿着编程路径相对于工件25不断跟踪焊枪12的一个或多个伺服电机。尽管未示出，但是工件25可固定到单独的机电机器，以使得与机器人臂40的运动相结合，工件25也可移动，以便提供工件25和焊枪12之间的相对运动。此外，尽管焊枪12被示出为固定到机器人臂40上，但是应当理解，机器人臂40可被配置成握住工件25并且使其相对于固定的或可移动的焊枪移动。众所周知，机器人臂40可是计算机可编程的。

在这方面，焊接系统10可包括可操作地耦连到机器人臂40的控制系统42。控制系统42可包括计算机(未标记)和示教器44或另一离线编程软件系统(未示出)，其可用于生成包括机器人臂40的轨迹的焊接程序，以与控制形成焊接所需的相关设备相结合。轨迹可包括由工件25限定的空间中的坐标，并且可存储在控制系统42或机器人臂40中。轨迹可包括由工件25限定的空间中的坐标，并且可存储在控制系统42或机器人臂40中。在焊接序列期间，控制系统42可命令机器人臂40遵循预定轨迹或路径以及将其他部件(在下面描述)与轨迹协调以形成焊接接头32。根据一个实施例，焊接程序可包括基于每个焊接用户可选择保护气体流速以及通过示教器44或由离线编程输入的其他用户可选变量。

继续参考图1，系统10可包括用于将受控量的填充材料计量(metering)到焊池26(图2)中的馈送器50。馈送器50可以可操作地耦连到焊机14和/或控制系统42。结合焊枪12沿着预定轨迹的移动和焊接，焊机14和/或控制系统42中的一个可与馈送器50通信，以便使馈送器50根据填充金属的预定目标浓度来分配填充材料以填充焊池26。如图所示，馈送器50可耦连到机器人臂40或者可放置在接近焊枪12的另一位置。在焊枪12是MIG焊枪的示例性实施例中，馈送器50可以是用于将电极20计量到焊池26中的送丝机构。应当理解，焊枪12可以是TIG焊枪，在这种情况下，馈送器50可被配置为将填充金属计量到形成在钨电极和工件之间的焊池中。

结合馈送器50的操作，系统10控制保护气体从气体供应16通过气体输送系统54到焊枪12的喷嘴18(图2)的流量。在一个实施例中，控制系统42利用螺线管55(可选)来协调保护气流的开关控制，并且可改变焊接期间(诸如，基于每个焊接)的保护气流。螺线管55可以是开关流量控制装置。

关于焊接期间的气流，在一个实施例中，气体输送系统54可包括接收关于最小预定保护气流的设定点信息的保护气体控制器(在下面描述并总体上以56表示)。应当理解，虽然这里描述了保护气体控制器的示例性实施例，但是系统54的实施例不限于所描述的特定气体控制器。一个或多个管道或线路(line)58将螺线管55和保护气体控制器56在一端流体耦连到保护气体供应16，并在另一端流体耦连到焊枪12的喷嘴18。仅作为示例，线路58可至少额定为350psi(约2413kPa)，诸如，“GSS”软管由WA技术可用，以最小化来自保护气体的内部压力下的膨胀，并且可减小保护气流开关循环期间的压力浪涌(surge)。在一个实施例中，保护气体控制器56在焊接之前、在焊接序列的每个单独焊接接头的焊接期间和/或在焊接之后控制来自喷嘴18的保护气体的流速。具体地，在焊接之前电弧启动期间、在工件焊接期间和/或在焊接之后的电弧结束期间，保护气体控制器56可改变来自喷嘴18的保护气体的流量。

为了这些和其它目的，在一个实施例中，参考图1和图3A，示例性的保护气体控制器56包括入口62和出口64之间的阀60。阀60能够改变气体输送系统54中的保护气流。阀60与控制系统42操作性通信，保护气体控制器56从控制系统42接收设定点信息。

如图所示，在一个实施例中，保护气体控制器56可包括在入口62和出口64之间的流量限制66。保护气体控制器56从包括反馈传感器70和旁通管72的反馈电路68产生用于控制系统42的输出。旁通管72围绕流量限制66流体连通，使得通过入口62的气体流量的一小部分绕过流量限制66周围并与反馈传感器70操作性通信。反馈电路68向控制系统42输出指示通过保护气体控制器56的气体流量的信号。应当理解，反馈电路68可提供从出口64流出的气体的体积流量和/或质量流量的指示。

在示例性的保护气体控制器56中，反馈传感器70可包括加热通过旁通管72的气体的加热器。通过加热旁通管72中的气体，可通过热力学第一定律测量通过保护气体控制器56的保护气体的质量流量。反馈传感器70然后可产生指示来自出口64的保护气体流速的输出，诸如电信号。该输出可用于调节阀60，并且还可被通信到控制系统42。控制系统42可利用该信息来确定每单位时间内系统10的保护气体消耗，然后可使示教器44的操作者可见该保护气体消耗。此外，如下更详细的描述，该输出可用于对焊枪12的操作的一个或多个定性和/或定量评估。在一个实施例中，保护气体控制器56是质量流量控制器，其可从MKSInstruments of Andover、Massachusetts购得，其型号为No.GE0A004504R8V020。

在操作中，示例性的保护气体控制器56可响应于从控制系统42接收的设定点信息通过调节阀60来改变从出口64通过的保护气体的流量。这种变化可基于焊接序列期间的焊接质量、基于每个焊接或另外因素，如下详细描述。作为示例，阀60可包括能够改变来自出口64的保护气体流量的可变孔(未示出)。可变孔的尺寸变化可基于来自反馈电路68的输出。特别地，保护气体控制器56可使用控制方案(例如，PID控制)来改变阀60中可变孔的尺寸，直到来自保护气体控制器56的流量达到由来自控制系统42的设定点所确定的预定最小气流。

在一个实施例中，现在参考图1和图3B，示例性的保护气体控制器56包括在入口62和出口64之间的一个或多个阀60。阀60可流体耦连在气体阀组142、144之间。在一个实施例中，每个阀60可是与螺线管耦连的气动阀，该螺线管从控制系统42或另外源接收电功率形式的设定点信息，该功率足以使得螺线管打开阀并且允许气体从一个阀组142传递到另一个阀组144，并因此操作以便在控制器56内打开保护气体。从阀60移除该功率，并关闭阀60。

图3B的示例性气体控制器56还可包括一个或多个限流器146。限流器146可包括能够将保护气体的流量限制到已知值的预定尺寸的孔。限流器146可操作以在气体控制器56内的宽范围压力下将气流限制到已知的预定速率。仅作为示例，限流器146可从MottCorporation、Farmington、Connecticut购得，阀60可从Asco Valves、Warren Michigan购得。

在图3B所示的实施例中，每个阀60有一个限流器146。然而，应当理解，限流器146的数量和阀60的数量不需要相等。本发明的实施例不限于具有四个阀和四个相应的限流器的保护气体控制器，因为可使用如下所阐述的阀和限流器的其他组合。

在操作中，图3B所示的示例性保护气体控制器56可响应于从控制系统42接收的设定点信息通过打开一个或多个阀60来改变从入口62通向出口64的保护气体的流量。阀60可依靠相关联的限流器146进行选择。例如，一个限流器146可被配置为当隔离阀(intervening valve)60打开时，允许10立方英尺/小时(CFH)的保护气流从阀组142流到阀组144。因此，如果需要流速为10CFH的保护气体，则可打开与10CFH限流器相关联的阀60。在使用多个限流器146的情况下，每个限流器可允许不同的预定保护气体流速。

在这方面，继续上述示例，第二限流器146可被配置为当不同的隔离阀60打开时允许15CFH的保护气流从阀组142流到阀组144。在这种情况下，如果控制系统42需要15CFH的保护气流，则控制系统42打开与15CFH限流器相关联的阀60，同时维持与10CFH限流器相关联的阀60和任何其它阀关闭。在另一示例中，如果控制系统42需要25CFH的保护气流，则控制系统42打开对应于10CFH限流器和15CFH限流器的每个阀60。也就是说，系统42打开与10CFH限流器相关联的阀，并且系统42打开与10CFH限流器相关联的阀60。10CFH流速和15CFH流速的组合提供25CFH的保护气量。作为额外的示例，在具有四个阀60和四个限流器146的实施例中，如图所示，额外的限流器146可被配置为允许相同的保护气流或不同于上述的限流器146。通过打开和关闭用于已知限流器146的阀60，控制系统42可控制气体输送系统54中的保护气流。

继续参考图3B，示例性的保护气体控制器56可包括耦连到阀组144的流量计148。流量计148可被配置为测量保护气体的流速，然后经由与从出口64排放的保护气体流速相关的信号150来提供反馈。以这种方式，流量计148结合阀60和选定的限流器146可用于下面所描述的焊枪12的操作的一个或多个定性和/或定量评估。控制系统42然后可改变设定点信息并打开和/或关闭一个或多个阀60以基于该反馈改变实际的保护气体流速。

在一个实施例中，现参考图1和图3C，示例性的保护气体控制器56包括在入口62和出口64之间的阀60。阀可将阀组142耦连到阀组144并且被配置为可变地打开，以在连续的流速体制内调节保护气体流速。

在这点上，控制系统42可提供设定点信息以改变从出口64流出的保护气体流速。这种变化可基于如下详细描述的焊接序列期间的焊接质量、基于每个焊接或另外的因素。作为示例，阀60可包括能够改变来自出口64的保护气体流量的可变孔(未示出)。可变孔的尺寸变化可基于来自反馈电路68的输出。特别地，保护气体控制器56可使用控制方案(例如，PID控制)来改变阀60中的可变孔尺寸，直到来自保护气体控制器56的流量达到预定最小气流(如由来自控制系统42的设定点所确定的)。在一个实施例中，阀60可以是从ASCO、Florham Park、New Jersey购得的比例阀。

图3C所示的示例性的气体控制器56还可包括流量计148，以经由信号150提供反馈。然后，控制系统42可成比例地改变设定点信息，以基于已知的控制方案(诸如PID控制)来调节从出口64流出的气体。以这种方式，流量计148结合阀60可用于焊枪12的操作的一个或多个定性和/或定量评估，如下所述。

在一个实施例中，保护气体的流量以基本上独立于来自气体供应16的压力和保护气体控制器56的出口64处的保护气体压力的方式被控制。在这点上，保护气体控制器56可提供保护气流的动态闭环控制，并且响应上游压力变化，同时仍然维持来自出口64的一致的保护气体流速。作为示例，在使用具有单级压力调节器和流量计的满气瓶(fullcylinder)保护气体的焊接过程期间，保护气流的一致性可以是小于约8％的变化，并且作为额外的示例，小于约4％，直到该气瓶为空。

在本发明的一个实施例中，保护气体控制器56可具有超过气体供应16的压力额定值的压力额定值。因此，系统10的实施例可不包括压力计74(在图1中示出)。然而，例如，在气体供应16的压力高于2,200psi(约15168kPa)的情况下，可能需要压力计74。此外或可替代地，当气体供应16中的压力处于正常水平(例如，小于约100psi(大约689kPa))时，系统10的实施例可不包括气体供应16和保护气体控制器56之间的流量计76。与现有技术的气流系统不同，在现有技术的气流系统中，流量控制器上游的供应线(supply line)中的压力下降可能导致流量减小，本发明的实施例在保护气体控制器56的入口62处的气体压力意外降低的情况下有利地维持来自保护气体控制器56的一致流速。

为此，保护气体控制器56可对保护气体控制器56的入口62处或其附近的压力降低作出反应。作为响应，保护气体控制器56可调节阀60或打开/关闭一个或多个阀60以选择一个或多个不同的限流器146，以将来自出口64的保护气流维持在最小预定保护气流设定点。

对于保护气体控制器56上游的压力增加，可观察到相反的响应。也就是说，入口62处的压力的增加可导致保护气体控制器56减小阀60中的孔的尺寸或打开/关闭一个或多个阀60，以维持来自出口64的恒定流量。在保护气体控制器56上游的压力增加或减小的情况下，到控制系统42的反馈，诸如来自传感器70的信号或来自流量计148的信号，可根据图3A和3C所示的气体控制器56用于改变阀60中的孔的尺寸，或用于打开/关闭图3B所示的气体控制器56中的一个或多个阀60。此外或作为替代，反馈可被传送到控制系统42并由控制系统42利用，以向可能的压力问题引起者(operator)提供警告。系统10可考虑其它气体压力波动以维持优质焊接，同时减少保护气体的消耗。

在焊接之前，气体输送系统54内可能存在过量的保护气体。此过量气体可能是由于气体输送系统54中的弹性，诸如软管或管道的膨胀或其他原因。这种情况下，在电弧启动时，当控制系统42发起通过气体输送系统54的保护气流时，在管道或管线58中积聚的过量气体通常可以不受控制的方式从喷嘴18排出。来自喷嘴18的这种气体浪涌是浪费的。它还可能通过扰乱焊枪12中的气体层流(这可能扰乱电弧)而引起焊接问题，和/或浪涌可在喷嘴18和工件25之间产生文丘里效应(venturi effect)，其可将大气气体吸入气体阻挡层22中。这些问题中的每一个都可能表现为质量差的焊接和/或降低的生产率。应当理解，在喷嘴18处从气体输送系统54排出的过量气体的量可取决于管道或线路58的长度、保护气体控制器56的入口侧上的压力以及线路58的刚性(即，抗膨胀性)等等。

考虑到这些问题，在本发明的一个实施例中，保护气体控制器56在电弧启动之前或启动时补偿气体输送系统54中过高的气体压力。作为示例，并且参考图3A，阀60中的可变孔可在电弧启动时被初始设定为比在焊接期间使用的可变孔尺寸相对更小的尺寸。也就是说，在电弧启动时的保护气体流量可设定为小于在焊接期间使用的保护气流。作为示例，可变孔的初始尺寸可比初始焊接所需的尺寸更大或更小已知的分数或已知的百分比。有利地，在电弧启动之前或启动初始时最小化气体浪涌可使总气体消耗最小化，并且可解决与电弧启动相关联的焊接质量问题。

作为额外的示例，并参照图3B，控制系统42可初始打开一个或多个阀60，以便预选限制气体浪涌的一个或多个限流器146。当在气体输送系统54中存在已知量的气体浪涌时，该方法可能特别有用。例如，在初始电弧启动序列上，流量计148可测量实际流量，以使得系统42记录针对该电弧启动的系统中的搜索流量。在随后的电弧启动时，系统42可通过打开/关闭阀60以补偿任何气体浪涌流量来补偿任何浪涌流量。

在焊接期间，保护气体控制器56可检测影响出口64下游的保护气流的问题。在一个实施例中，保护气体控制器56通过响应下游保护气体压力波动来提高焊接质量一致性。例如，出口64和焊枪12之间的软管78可被收缩，导致保护气体控制器56的回压增加。虽然这通常导致来自喷嘴18的气流减少，并且因此可能负面影响焊接质量，但是保护气体控制器56可检测到由于收缩引起的回压而导致的保护气流减小，然后根据图3A和3C所示的气体控制器56打开阀60，或根据图3B所示的气体控制器56打开与限流器146相关联的一个或多个阀60，以补偿由于收缩软管造成的气流减小。在一个实施例中，可检测图3A和图3C的气体控制器56的阀60中可变孔的尺寸的百分比变化或图3B的气体控制器56的阀60的数量和/或选择的变化，该变化用来将保护气流维持在最小预定保护气流设定点处，并且该数据被传送到控制系统42，然后控制系统42可警告软管78中收缩的引起者。

作为额外的示例，已知在焊接期间可在喷嘴18上积累焊接飞溅物。飞溅物会减小喷嘴18的面积，并且如果不加以控制，则最终可阻碍来自喷嘴18的保护气流。飞溅物还可能导致焊枪12中的热累积。响应于由于飞溅物积累导致的来自喷嘴18的流量减少，保护气体控制器56可增加图3A和3C的气体控制器56的阀60中的可变孔的尺寸，或者改变图3B的气体控制器56的阀60的数量和/或选择以补偿流量减少。因此，保护气体控制器56可补偿飞溅物对保护气流的负面影响。

此外，基于图3A和3C的气体控制器56的阀60的可变孔尺寸的相对增加，或改变图3B的气体控制器56的阀60的数量和/或选择，控制系统42可预测何时气体输送系统54中的限制(诸如，喷嘴18上的飞溅物)在焊接质量方面变得成问题。该预定限制可以通过观察焊接质量并将其与喷嘴18上的飞溅物量相关联来建立。一旦图3A和3C的气体控制器56的阀60的可变孔尺寸发生变化或图3B的气体控制器56的阀60的数量和/或选择发生变化，使得从出口64排出的气体流速达到该预定限制时，控制系统42可向机器人臂40发信号通知存在问题。然后机器人臂40可在焊接序列之间或在另一时间执行喷嘴扩孔程序，以从喷嘴18去除飞溅物。与现有技术的喷嘴扩孔过程不同，现有技术的喷嘴扩孔过程通常基于设定数量的焊接之后的预期飞溅物，本发明的实施例可响应于喷嘴18中的实际飞溅物。因此，本发明的实施例可消除或减少焊接结构上的飞溅物环，同时维持焊接质量。此外，通过仅基于需要而不是基于设定频率来扩孔喷嘴18，喷嘴18可不暴露于任何磨损和撕裂，并且可需要以较不频繁的基础更换。

除了喷嘴清洁过程之外或作为其一部分，如图1所示，压缩空气供应80可经由空气供应管线82流体地耦连到焊枪12。压缩空气供应80可通过螺线管84与焊枪12分离。在本发明的一个实施例中，在上述喷嘴清洁过程之后，控制系统42可激活螺线管84以允许压缩空气流过焊枪12。这种后喷嘴清洁过程可在清洁之后去除喷嘴18中的任何碎屑。在一个实施例中，控制系统42可在焊接每个结构之后、在每个焊接序列之后或者在每个焊接之后激活螺线管84。压缩空气可吹出喷嘴18上的任何飞溅物环，并且可在焊接过程之间、焊接序列之间和/或焊接之间冷却焊枪12。该过程可改善焊接质量并且可通过保持喷嘴18更冷来延长焊枪12的寿命。有利地，飞溅物不太可能粘附到冷的喷嘴上，使得喷嘴扩孔过程不太经常被需要。

在一个实施例中，系统10包括定期地或基于按需的以及可选地在没有操作者参与的情况下定量地检查焊枪12的状态的能力。具体地，并且作为示例，焊枪12可包括一个或多个O形环(未示出)，以防止除了通过喷嘴18之外的保护气体意外泄漏。这些O形环通常可位于与喷嘴18相对的喷枪12后端馈电线的电源引脚(未示出)附近。在正常的焊枪维护期间，可取下、检查和重新安装焊枪12。在馈电线上移除和重新安装焊枪12增加了O形环被损坏或以其他方式受损的可能性，这可能允许保护气体从焊枪12的错误端泄漏。损坏的O形环可能最终导致系统10消耗比所需保护气体更多的保护气体。本发明的实施例能够检测损坏或受损的O形环或气体输送系统54中的不期望位置处的保护气体的其他泄漏。

在这方面，且在一个实施例中，控制系统42可包括程序，机器人臂40通过该程序将焊枪12插入到一系列限制性增加气流的设备中。一旦喷嘴18被插入，控制系统42可打开来自喷嘴18的气流，然后测量该气流。通过测量在各种阻塞水平下通过焊枪12的保护气体流速，可识别维护问题和/或更准确地测量使用寿命，并且为系统的部件安排预防性维护，诸如焊枪12中的O形环。作为示例，参考图5，焊枪12可插入具有100％限制(即，完全阻断流量)的漏斗状设备140中。如果当喷嘴18被阻塞时通过焊枪12的气流维持在100％，则O形环不密封焊枪12。也就是说，通过焊枪12后端或在另一个不期望位置处存在100％的保护气体泄漏，因为包括焊枪12的气体输送系统54不能包含与零流量条件(即，100％限制)相关联的增加的压力。有利地，焊枪12的自动检查可有助于气体输送系统54的预防性维护，并且因此可改善焊接质量，同时减少与紧急维护相关联的停工时间。

在本发明的一个实施例中，气体输送系统54包括在气体供应16和保护气体控制器56之间的传感器86。该传感器86能够确定气体输送系统54的内容物。特别地，传感器86可确定气体输送系统54内的杂质水平，诸如，氮气的量。在焊接之前，传感器86可测量氮气的浓度，并且可确定气体输送系统54的内容物是否足以提供优质焊接所需的气体阻挡层22。在气体输送系统54的内容物包含太多杂质(诸如太多氮气)的情况下，控制系统42可发起用保护气体对气体输送系统54的净化(purge)，直到传感器86指示气体输送系统54的成分能够提供必要的气体阻挡层22。一旦气体输送系统54被充分净化，控制系统42可发起焊接过程。并且，在焊接期间，传感器86可提供来自气体供应16的气体质量的周期性或连续监测。如果气体质量恶化，例如由于气体输送系统54从传感器86的上游或甚至下游泄漏，则传感器86可向控制系统42发送气体质量差的信号。然后控制系统42可关闭焊接操作以防止差的焊接质量或对系统10的损坏。

如上所述，保护气体控制器56可在焊接期间改变保护气体的流量。例如，在第一焊接序列或第一接头的焊接期间，保护气体的流量可高于随后焊接序列或随后焊接接头的焊接期间的保护气体的流量，反之亦然。

众所周知，焊接序列是在结构上进行多个单独焊接的预定顺序。换句话说，焊接序列是在结构上进行单独焊接所采用的顺序和方向。焊接序列可被设计成最小化残余压力，残余压力可在最终焊接结构中产生变形和形变。作为示例并参考图4A，示出了用于接合工件102和104的示例性焊接序列100。焊接序列100包括单独的焊接接头106、108和110。焊接接头106、108和110形成的位置和顺序可是预先确定的。确定形成焊接接头106、108和110的顺序可使由焊接期间工件102和104的局部加热引起的变形最小化。例如，焊接序列100可包括将焊接焊接接头108作为第一焊接，将焊接接头106作为第二焊接，以及将焊接接头110作为第三焊接。应当理解，焊接接头106、108和110可根据焊接序列100以任何预定的顺序形成。虽然示出了单独、分离的焊接，但是焊接接头106、108和110可经由例如分段退焊过程(backstep welding process)在工件102和104之间共同形成一个连续的焊接。

通过额外的示例并且参考图4B，示出了用于接合工件122和124的另一示例性的焊接序列120。焊接序列120包括单独的焊接接头126、128和130。形成焊接接头126、128和130所采用的位置和顺序可在焊接序列120中预先确定。顺序的确定可取决于最小化焊接结构中的变形。例如，焊接序列120可包括将焊接接头128作为第一焊接、将焊接接头126作为第二焊接以及将焊接接头130作为第三焊接。应当理解，焊接接头126、128和130可根据焊接序列120以任何预定顺序形成。虽然示出了单独、分离的焊接，但是焊接接头126、128和130可经由例如分段退焊过程在工件122和124之间共同形成一个连续的焊接。

根据本发明的实施例，保护气体控制器56可基于每个焊接改变保护气流。也就是说，保护气体控制器56可基于工件的几何形状、基于它们的布置、基于工件周围的气态大气的组成或由于另外的原因而减少保护气流或增加保护气流。例如，参考图4A和4B，考虑焊接序列100和120，保护气体控制器56可改变焊接序列100和焊接序列120之间来自喷嘴18的保护气体流量。

在这种情况下，保护气体控制器56可在焊接序列100完成之后并且在焊接序列120开始之前增加保护气流。不受理论的约束，预期在焊接序列100中提供优质焊接接头所必须的最小所需保护气流可小于在焊接序列120中提供优质焊接接头所必须的最小所需保护气流。这可是真实的，即使所有其他焊接参数维持恒定。例如，如果焊接是对接焊接(如图4B所示)并且焊接对外部气流(gas draft)开放，则所需的保护气流可约为50CFH，以用于焊池被适当地保护。如果焊接是角焊接(如图4A所示)并且焊接由于其几何形状而与外部气流隔离，则所需的保护气流可低至约15CFH至约20CFH。

所需的保护气流还可取决于保护气体的类型。例如，如果保护气体是比空气重的100％二氧化碳(CO2)，则可能的是，所需的最小保护气流将低于先前的值。在一个焊接序列和下一个焊接序列之间的气流变化可至少约为5％，并且作为进一步的例子，可在约10％和约20％之间。在这方面，工件102和104相对于彼此的布置可由于在焊接期间暴露的焊池26与在图4B所描绘的对接接头焊接期间形成的焊池26相比体积减小来最小化最小保护气流要求。此外，由于由工件102和104的几何形状相对于焊接序列100的放置提供的阻挡，空气流(air draft)不太可能扰乱气体阻挡层22。应当理解，图4B中所示工件122、124的对接接头缺少与在图4A所示的焊接序列100期间由工件102、104提供的类似的任何气流保护。

此外或可替代地，保护气体控制器56可在焊接序列100期间改变保护气体的流量。保护气体控制器56可改变保护气体在焊接接头106、108和110中的任何两个之间的流量，诸如在焊接接头108和焊接接头106之间或在焊接接头106和焊接接头110之间。应当理解，保护气体控制器56可改变每个焊接接头106、108和110之间的保护气体的流量。类似地，保护气体控制器56可在焊接序列120期间改变保护气体的流量，例如在焊接接头126、128和130中的任意两个之间或者在焊接接头126、128和130中的每一个之间。

任何两个焊接序列之间或在任何两个焊接之间的焊接序列期间的保护气流的变化可根据用于特定焊接序列或用于特定序列中的每个焊接的预定保护气流设置，如下所述。

此外，在这方面，在连续的焊接序列期间，围绕工件的周围气态大气可改变。也就是说，当保护气体流动以创建阻挡层22时，气体通常在工件周围积聚，从而通常从工件周围代替污染气体。在工件处于具有焊接机器人臂的封闭环境内的情况下可能尤其如此。因为污染气体通常从封闭环境被代替，所以可减小保护气体流速。换句话说，一旦紧紧包围工件的环境变得主要有利于焊接，则需要较少的保护来提供气体阻挡层22。焊接单元内的外部输入，诸如下述的来自气体传感器等，可用于检测保护气体的累积，该信息可由控制系统42利用以减少焊接期间的保护气体流速。

除了气体传感器，其他外部输入可基于最后焊接序列和当前焊接序列之间的时间量。通常，在生产期间，保护气体在接近工件处排出，在机器人臂附近可能存在保护气体的累积。这种累积可从工件附近代替污染气体。取决于保护气体的排放速率和工作单元的体积，保护气体可以相对较低的速率耗散。因此，一旦由大部分保护气体组成的环境在工件周围累积，则控制系统42可减小保护气流，因为可能需要较少的保护气流来形成气体阻挡层22。例如，可能具有很多个焊接序列，在这些焊接序列之间存在其中没有保护气体从焊枪12流出的时间。当焊接序列之间的时间短时，可减小保护气体流速，因为通常围绕工件的保护气体可以比保护气体被添加到工件周围环境的速率更慢的速率耗散。

在类似的概念中，如果在连续焊接之间存在大的等待周期，则保护气体可从工件周围耗散。因此，在这种情况下，随后的焊接序列可能需要比紧邻的上一段中的情况更大量的保护气流来获得气体阻挡层22。在等待时间相对长的情况下，保护气体流速可能不会显著减小。然而，在等待时间段相对短的情况下，保护气体可在工件周围累积并且保护气体流速可显著降低同时维持焊接质量。因此，考虑到上述内容并且在一个实施例中，外部输入可以包括监测连续焊接序列之间的时间量，并且依赖于所测量的焊接序列之间的时间来补偿保护气体流速。

作为额外的示例，其他外部输入可以包括来自能够监测接近工件的大气气体成分的传感器(未示出)的直接输入。例如，传感器可以测量围绕工件的保护气体的量，并且该测量可以用于改变保护焊池26所必须的保护气体流速。作为另一示例，传感器可以测量围绕工件的污染气体的量，并且该测量可以用于使保护气体流速改变一个足以维持焊池26周围的气体阻挡层22的量。

除了与焊接接头(如上所述)相关联的几何形状和周围气体环境的变化之外，保护气体流量的变化可以响应于焊丝伸出长度(electric stick out，ESO)的变化。参考图2，在焊接过程期间，从喷嘴18的端部到工件25的距离可以在焊接编程期间由操作者控制。该距离可以由于焊接期间的过程条件而被有意地调节或改变。如果保护气流没有被类似地调节，则可能导致差的焊接质量。在本发明的一个实施例中，保护气流设定点可以根据ESO的增加或减少而改变。这种变化可以响应于观察到与ESO相关的送丝速度与焊接电流的比率变化。在送丝速度保持恒定并且ESO增加的情况下，由于喷嘴18和工件25之间的距离的增加，焊接电流通常将减小。例如，对于1.2mm直径的电极，随着ESO从大约18mm增加到大约25mm，焊接电流强度可以减小大约30A。在这种情况下，例如，控制系统42可以将保护气流设定点从约30CFH增加到约40CFH，以由于增加的ESO而增加气体阻挡层22的尺寸。应当理解，相反也是可能的，即，如果喷嘴18和工件25之间的距离减小，则控制系统42可以减小保护气流设定点。

如上所述，预定最小保护气流可以由控制系统42设置。根据本发明的实施例，可以存在至少两种方法，通过这两种方法确定最小预定保护气体流速。

在一种方法中，执行在特定焊接序列的连续焊接之间保护气流有变化的迭代过程。虽然保护气体流量可以改变，但是其他焊接设置(例如，ESO、功率、填充材料成分和焊接速度等)保持恒定或根据统计评估过程而改变。工件可以根据需要布置以用于制造特定的焊接结构。用于该焊接结构的焊接序列可以手动地或用具有预选保护气流的机器人臂执行。一旦利用所选择的保护气流完成焊接序列，就可以检查单个焊接以确定每个焊接是否具有足够好的质量。如果焊接具有足够好的质量，则可以在下一个焊接序列中减小保护气流，以确定提供相同质量的较低保护气流是否存在。如果一个或多个焊接不具有足够好的质量，则对于下一个焊接序列中的该特定焊接，可增加保护气流。

如果所有焊接都具有足够好的质量，则根据相同的焊接序列但采用较低的保护气体来焊接第二焊接结构。第二焊接结构的焊接质量可以被检查。取决于观察到的质量，如果焊接质量差则保护气流可以增加，或者如果焊接质量依然足够好，则保护气流可以进一步减少。通过减少或增加用于特定焊接序列的保护气流并检查焊接质量的迭代过程，可以确定在设定的焊接条件下用于特定焊接序列(诸如，用于焊接序列100或120)的最小预定保护气流。

类似的迭代过程可用于确定基于每个焊接的保护气流。例如，在设置的焊接条件下相应的焊接序列100、120内，每个焊接接头106、108、110和126、128、130的最小预定气体流速可以通过逐渐减小连续焊接序列之间的保护气流并检查焊接接头的质量来确定。取决于焊接质量，可以减小或增加保护气流，直到识别出针对每个焊接的预定保护气流。

参考图1，最小预定保护气流设定点可以诸如通过示教器44输入到控制系统42中。在这点上，控制系统42可以包括气体控制程序90，其存储用于特定焊接序列和/或用于在焊接过程期间后使用的序列内的每个焊接的最小预定气流设定点。该信息可以被通信到回放控制程序92，回放控制程序92可以分别在焊接序列100、120的每个焊接接头106、108、110和126、128、130期间根据气体控制程序90、机器人臂40的移动和馈送器50来协调设置保护气流。回放控制程序92还可以存储关于焊接路径的位置信息，其可以通过用示教器44教给机器人臂特定结构的焊接路径来确定。因此，在焊接过程期间，气体控制程序90可以在回放控制程序92中为特定焊接序列设置最小预定保护气流。然后，控制系统42可以使阀60改变通过保护气体控制器56的气流，直到来自气体输送系统54的实际保护气体流量接近最小预定保护气流设定点，并由反馈电路68验证。控制系统42可以移动机器人臂40以沿着预定路径跟踪焊枪12，以用预定最小保护气流设定点来焊接结构。以这种方式，焊接系统10控制每个焊接接头的质量，同时减少保护气体的消耗，因为保护气流对于每个焊接序列或对于焊接过程中的每个焊接是预定最小设定点。

参考图1，根据用于预先确定特定焊接序列的保护气流设定点的另一过程，控制系统42可以包括学习功能94。该学习功能94可以用于确定由气体控制程序90使用的预定最小保护气流。为此，学习功能94可以为要由控制系统42执行的焊接过程提供估计的高于所需的保护气流的保护气流。在焊接序列之后，可以检查焊接。然后，学习功能94可以提示操作者检查每个焊接接头的质量。如果焊接接头具有足够好的质量，则学习功能94可以降低预选量(例如，从大约1％至大约2％)的目标保护气流，以确定较低的保护气流是否将产生足够好的焊接质量。

在以较低的保护气流焊接下一结构之后，学习功能94可再次提示操作者检查每个焊接接头的质量。如果焊接的质量不足，则学习功能94可以增加下一焊接结构上的焊接序列的保护气流设定点。这种增加可以仅是保护气流先前减少的预定部分。例如，在学习功能94将保护气流减少约2％并且焊接质量差的情况下，学习功能94可以针对于一个焊接序列将保护气流增加小于2％的量，诸如约1％。通过在连续焊接结构上针对相同序列降低和升高保护气流的这种迭代过程并检查在那些不同保护气流下产生的焊接，可以确定该特定焊接序列或该序列中的特定焊接的预定最小保护气流设定点。

一旦用于焊接序列的保护气流由学习功能94确定，则预定最小保护气流设定点可以保存在气体控制程序90中，以被系统10用于包括如上描述的该特定焊接结构上的特定焊接序列的每个焊接过程。

可替代地，参考图1、4A和4B，而不是对相应的保护气流下的各个焊接序列100和120中的每个焊接接头106、108、110以及126、128、130进行手动检查，焊机14可以包括焊接质量控制系统96，焊接质量控制系统96可以与控制系统42通信，特别是与回放控制程序92通信。焊接质量控制系统96可以在类似于前面段落中阐述的迭代过程期间与焊机14交换关于不同保护气流下的焊接质量的信息。然而，在该迭代过程中，系统10调节保护气流并评估焊接质量。操作者不再被包括在用于任何焊接接头106、108、110以及126、128、130的预定最小保护气流设定点的确定中。应当理解，该过程消除了由于每个单独焊接视觉评估的主观性质而对焊接过程的人为影响。

特别地，作为初始步骤，在本发明的一个实施例中，焊接质量通过焊接质量控制系统96以估计的高于所需的保护气流来确定。类似于上述过程，后续焊接序列可以是连续更低的保护气流。例如，焊接质量控制系统96提供从在第一焊接结构上焊接焊接序列100到在第二焊接结构上焊接焊接序列100的保护气流的预定减少，同时提供关于所用的每个保护气流下的焊接质量的信息。

从一个焊接序列到下一个焊接序列的保护气流的连续减少将最终产生由焊接质量控制系统96确定的差的焊接质量。然后控制系统42可以将保护气流增加到每个焊接质量控制系统96产生足够的焊接质量所需的最小水平。该迭代过程可以基于每个焊接和/或根据特定焊接序列完成。一旦确定了每个焊接或每个焊接序列的预定最小气流设定点，则该信息可以被存储在气体控制程序90中。控制系统42可以在该焊接序列的后续焊接期间利用气体控制程序90内的该设定点。

具体来说，焊接质量可在生产期间变化。该变化可以由焊接质量控制系统96监测。在一个实施例中，焊接质量可以由焊接质量控制系统96连续评估。一旦焊接质量偏离预定阈值，则可以为表现出差质量的焊接和/或焊接序列确定新的预定最小保护气流设定点。在这点上，可以在该确定中使用与上述类似的过程，除了控制系统42可以在开始增加保护气流，然后评估焊接质量。一旦质量达到可接受水平，用于特定焊接和/或用于特定焊接序列的更新的保护气流设定点可以存储在气体控制程序90中。作为示例而非限制，与焊接质量、焊接质量变化和保护气流设定点的更新相关联的信息可以存储在气体控制程序90内的先进先出阵列堆栈中。焊接质量控制系统96和气体控制程序90之间的信息交换可以响应于系统10的变化或在正常生产期间有效地提供焊接质量的持续动态确定。在这方面，焊接质量控制系统96可以用于进一步减少气体消耗，甚至在焊接质量令人满意的情况下进一步减少气体消耗。

根据本发明的实施例，可以节省大量的保护气体。据估计，基于每个焊接，通过在焊接期间调节保护气流，保护气体消耗将减少高达约50％。另外，据估计，通过减少或消除气体浪涌，保护气体的消耗将减少高达约50％。

在本发明的另一个实施例中，传感器98可操作地耦连到焊机14并且在焊接期间监测其功率输出(电流和电压中的至少一个)。传感器98可用于确定最小预定保护气流设定点。在一个实施例中，系统10可缺少焊接质量控制系统96。代替地，传感器98可以用于提供电压和/或电流强度作为功率消耗的指示或可以与焊接质量相关联的其他波形信息。特别地，来自传感器98的信息可以由学习功能94利用以使焊接质量与保护气体流量相关。

为此，可以通过在焊接特定焊接接头期间通过传感器98监测来自焊机14的功率输出来建立传感器98的基线。该功率输出可以与焊接质量的视觉检查以及在焊接接头期间使用的保护气体流量相关。通过类似于前述段落中所述的迭代过程，预定最小保护气流可以经由传感器98与焊接质量相关联。

特别地，在高保护气流下焊接初始焊接序列之后，可以在后续焊接过程中减少保护气流，而传感器98监测焊机14的功率输出。可以检查每个焊接过程期间的焊接质量，然后与来自传感器98的功率数据相关联。以这种方式，学习功能94可以将保护气体流量和由传感器98检测的功率输出以及其他过程变量关联到焊接质量。通过与前述段落中类似的迭代过程，确定最小预定保护气流。一旦为每个焊接序列和/或基于每个焊接确定了最小流量，控制系统42可以监测传感器98并且根据学习功能94中可用的数据评估每个焊接的功率。

在随后的焊接期间，来自传感器98的数据可以与先前由迭代过程确定的并根据学习功能94存储在控制系统42中的功率输出的高限制和低限制进行比较。因此，来自传感器98的数据可以是焊接质量差的指示或焊接质量趋势(好和坏两者)的指示。如果功率输出落在由学习功能94建立的限制之外，则控制系统42可以警告操作者焊接过程可能存在问题。这个问题可包括保护气体流量问题或其他问题。有利地，经由传感器98连续监测焊机14的功率输出减少或消除了产生焊接质量差的可能性。

另一方面，如果经由传感器98检测到的功率输出落在可接受的高-低范围之外，则学习功能94可以改变保护气流设置，以便为随后的焊接建立新的预定最小流量。类似于上面阐述的过程，本发明的实施例可以提供与保护气流相关联的焊接质量的自适应或持续动态确定。

此外或作为上述的替代，描述了以下实施例：

实施例1涉及一种气体输送系统，用于在焊接一个或多个工件期间通过一个或多个管道或软管将保护气体从保护气体源输送到具有喷嘴的焊枪，该气体输送系统包括：

保护气体控制器，其包括：

入口，用于通过一个或多个管道或软管接收来自保护气体源的保护气体，

出口，保护气体从出口流向喷嘴，以及

在入口和出口之间的至少一个阀，并且该至少一个阀可以响应于预定最小保护气流设定点而可操作，

其中保护气体控制器在第一焊接之前或之后操作至少一个阀至少一次，以根据预定最小保护气流设定点改变来自喷嘴的保护气体的流量。

实施例2涉及实施例1的气体输送系统，其中，阀包括用于在焊接期间改变保护气体的流量的可变孔。

实施例3涉及实施例1或2的气体输送系统，其中保护气体控制器改变孔的尺寸，以便在电弧启动序列期间相比于预定最小保护气流设定点增加或减少保护气体流速。

实施例4涉及任何前述实施例的气体输送系统，其中至少一个阀是比例阀。

实施例5涉及任何前述实施例的气体输送系统，其中每个阀与限流器相关联。

实施例6涉及任何前述实施例的气体输送系统，其中保护气体控制器还包括传感器，该传感器能够测量来自出口的实际气体流速并传送指示所测得的流速的信号。

实施例7涉及任何前述实施例的气体输送系统，其中传感器检测在焊接期间由传感器上游和下游的一个或多个管道或软管中的阻塞引起的保护气体流量的变化。

实施例8涉及任何前述实施例的气体输送系统，其中焊接过程序列包括第一焊接序列和在焊接方向、工件几何形状或焊接速度中的至少一个方面与第一焊接序列不同的第二焊接序列，并且保护气体控制器根据预定最小保护气流设定点改变第一焊接序列和第二焊接序列之间的保护气体流速。

实施例9涉及任何前述实施例的气体输送系统，其中保护气体控制器在电弧结束序列期间相比于预定最小保护气流设定点改变保护气体流速。

实施例10涉及任何前述实施例的气体输送系统，还包括与一个或多个管道或软管中的保护气体流体连通的传感器，其检测保护气体中的氮气和/或其它污染物。

实施例11涉及任何前述实施例的气体输送系统，还包括与喷嘴流体连通的空气供应系统，用于向喷嘴供应压缩空气。

实施例12涉及一种用于焊接一个或多个工件的焊接系统，包括：根据实施例1-11中任一项所述的气体输送系统；

具有喷嘴的焊枪；

焊机，其与焊枪电通信；

机器人臂，其提供焊枪与一个或多个工件之间的相对运动，以便沿着预定焊接路径跟踪焊枪；

馈送器，用于将填充材料计量到一个或多个工件；以及

控制系统，其与焊机、保护气体控制器和机器人臂可操作地通信，控制系统将用于包括第一焊接的第一焊接序列的预定最小保护气流设定点通信到气体输送系统。

实施例13涉及实施例12的系统，还包括：焊接质量控制系统，其与控制系统和焊机可操作地通信，焊接质量控制系统检测第一焊接的质量和一个或多个后续焊接的质量，并向控制系统发送指示各个焊接质量的信号，并且其中控制系统计算不同于预定最小保护气流设定点并且基于各个焊接质量的第二预定最小保护气流设定点，并且在对随后工件的各个焊接的焊接期间，将第二预定最小保护气流设定点通信到保护气体控制器。

实施例14涉及实施例12或13的系统，还包括：传感器，其与控制系统和焊机可操作地通信，传感器在焊接期间检测来自焊机的电压和电流中的一个或多个，并且向控制系统发送指示来自焊机的电压和电流中一个或多个的信号，并且其中控制系统计算不同于预定最小保护气流设定点并且基于指示电压和电流中一个或多个的信号的第二预定最小保护气流设定点，并且在对随后工件的各个焊接的焊接期间，将第二预定最小保护气流设定点通信到保护气体控制器。

实施例15涉及实施例12-14中任一项的系统，其中保护气体控制器在电弧启动序列期间相比于预定最小保护气流设定点增加或减少保护气体流速。

实施例16涉及根据实施例12-15中任一项的系统，其中焊接过程序列包括第一焊接序列和在焊接方向、工件几何形状或焊接速度中的至少一个方面与所述第一焊接序列不同的第二焊接序列，并且保护气体控制器根据来自控制系统的预定最小保护气流设定点，来改变第一焊接序列和第二焊接序列之间的保护气体流量。

实施例17涉及实施例12-16中任一项的系统，还包括与一个或多个管道或软管中的保护气体流体连通的传感器，其检测保护气体中的氮气。

实施例18涉及实施例12-17的系统，还包括与喷嘴流体连通的空气供应系统，用于向喷嘴供应压缩空气。

实施例19涉及根据实施例12-18中任一项的系统，其中，在焊接期间，保护气体控制器向控制系统输出与来自出口的保护气体流速相关的信号。

实施例20涉及根据实施例12-19中任一项的系统，其中焊机包括与控制系统通信的焊接质量控制系统，焊接质量控制系统被配置为评估第一焊接的质量。

实施例21涉及一种焊接工件的方法，包括：基于对工件的第一焊接的几何形状、焊接速度和焊接方向中的至少一个预先确定保护气体的第一流速；

基于对工件的第二焊接的几何形状、焊接速度和焊接方向中的至少一个预先确定保护气体的第二流速，第二焊接在几何形状、焊接速度或焊接方向中的至少一个方面与第一焊接不同；

在对工件的第一焊接的焊接期间，接近第一焊池以第一流速分配保护气体；以及

在对工件的第二焊接的焊接期间，接近第二焊池以不同于第一流速的第二流速分配保护气体。

实施例22涉及根据实施例21的方法，其中，第一焊接和第二焊接是对工件的连续焊接。

实施例23涉及实施例21或22的方法，其中第一焊接处于多个焊接中的第一焊接序列，并且以第一流速分配保护气体包括针对第一焊接序列中的每个焊接维持第一流速。

实施例24涉及实施例23的方法，其中第二焊接处于多个焊接中的第二焊接序列，并且以第二流速分配保护气体包括针对第二焊接序列中的每个焊接维持第二流速。

实施例25涉及根据实施例23或24中任一项的方法，还包括：焊接不同于第一工件的第二工件包括在对第二工件的第三焊接的焊接期间接近第三焊池以第一流速分配保护气体，第三焊接在对第二工件的几何形状、焊接速度和焊接方向中的至少一个方面与第一焊接相同。

实施例26涉及根据实施例23-25中任一项的方法，还包括：焊接不同于第一工件的第二工件包括在对第二工件的第三焊接的焊接期间接近第三焊池以第一流速分配保护气体，第三焊接在对第二工件的几何形状、焊接速度和焊接方向方面与第一焊接相同。

实施例27涉及根据实施例23-26中任一项的方法，还包括：监测对工件的第一焊接的质量，并且基于第一焊接的质量，在第一焊接和/或对该工件之后的第二工件的焊接期间改变第一流速。

虽然已经通过多个实施例的描述示出了本发明，并且尽管已经相当详细地描述了这些实施例，但是发明人的意图不是将所附权利要求的范围限定或以任何方式限制为这样的细节。其它优点和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。本发明的各种特征可以单独使用或以任何组合使用，这取决于用户的需要和喜好。

Claims (15)

1.一种气体输送系统(54)，用于在焊接一个或多个工件(25)期间通过一个或多个管道或软管(58、78)将来自保护气体源(16)的保护气体输送到具有喷嘴(18)的焊枪(12)，所述气体输送系统(54)包括：

保护气体控制器(56)，包括：

入口(62)，用于通过所述一个或多个管道或软管(58、78)接收来自所述保护气体源(16)的保护气体，

出口(64)，所述保护气体从所述出口(64)流到所述喷嘴(18)，以及

在所述入口(62)和所述出口(64)之间的至少一个阀(60)，所述至少一个阀(60)能够响应于预定最小保护气流设定点而操作，

其中所述保护气体控制器(56)在第一焊接之前或之后操作所述至少一个阀(60)至少一次，以根据所述预定最小保护气流设定点改变来自所述喷嘴(18)的所述保护气体的流量。

2.如权利要求1所述的气体输送系统(54)，其中所述阀(60)包括孔，并且所述保护气体控制器(56)改变所述孔的尺寸，以便在电弧启动序列期间相比于所述预定最小保护气流设定点增加或减少所述保护气体流速。

3.如上述权利要求中任一项所述的气体输送系统(54)，其中所述保护气体控制器(56)在电弧结束序列期间相比于所述预定最小保护气流设定点改变所述保护气体流速。

4.如上述权利要求中任一项所述的气体输送系统(54)，其中所述保护气体控制器(56)还包括能够测量来自所述出口(64)的实际气体流速并且传送指示所测量到的流速的信号的传感器(70)。

5.如权利要求4所述的气体输送系统(54)，其中所述传感器(70)检测在焊接期间由所述传感器(70)上游和下游的所述一个或多个管道或软管(58、78)中的阻塞引起的所述保护气体流量的变化。

6.如上述权利要求中任一项所述的气体输送系统(54)，其中，

焊接过程序列包括第一焊接序列和在焊接方向、工件几何形状或焊接速度中的至少一个方面不同于所述第一焊接序列的第二焊接序列，以及

所述保护气体控制器(56)根据所述预定最小保护气流设定点改变所述第一焊接序列和所述第二焊接序列之间的所述保护气体流速。

7.一种用于焊接一个或多个工件(25、102、104、122、124)的焊接系统(10)，包括：

焊枪(12)，具有喷嘴(18)；

焊机(14)，与所述焊枪(12)电通信；

机器人臂(40)，提供所述焊枪(12)和所述一个或多个工件(25、102、104、122、124)之间的相对运动，以便沿着预定焊接路径跟踪所述焊枪(12)；

馈送器(50)，用于将填充材料(20)计量到所述一个或多个工件(25、102、104、122、124)；

保护气体控制器(56)，包括：

入口(62)，用于通过一个或多个管道或软管(58、78)接收来自保护气体源(16)的保护气体，

出口(64)，保护气体从所述出口(64)流到所述喷嘴(18)，以及

在所述入口(62)和所述出口(64)之间的至少一个阀(60)，所述至少一个阀(60)能够响应于预定最小保护气流设定点而操作，

其中所述保护气体控制器(56)在第一焊接之前或之后操作所述至少一个阀(60)至少一次，以根据所述预定最小保护气流设定点改变来自所述喷嘴(18)的所述保护气体的流量；以及

控制系统(42)，与所述焊机(14)、所述保护气体控制器(56)和所述机器人臂(40)可操作地通信，所述控制系统(42)将针对包括所述第一焊接的第一焊接序列的所述预定最小保护气流设定点通信到所述气体输送系统(56)。

8.如权利要求7所述的系统(10)，还包括：

焊接质量控制系统(96)，与所述控制系统(42)和所述焊机(14)可操作地通信，所述焊接质量控制系统(96)检测所述第一焊接(106、126)的质量和一个或多个后续焊接(108、110、128、130)的质量，并且向所述控制系统(42)发送指示各个焊接质量的信号，以及

其中所述控制系统(42)计算不同于所述预定最小保护气流设定点并且基于所述各个焊接质量的第二预定最小保护气流设定点，并且在对随后工件的各个焊接的焊接期间，将所述第二预定最小保护气流设定点通信到所述保护气体控制器(56)。

9.如权利要求7或8所述的系统，还包括：

传感器(98)，与所述控制系统(42)和所述焊机(14)可操作地通信，所述传感器(98)在焊接期间检测来自所述焊机(14)的电压和电流中的一个或多个，并且向所述控制系统(42)发送指示来自所述焊机(14)的电压和电流中的一个或多个的信号，以及

其中所述控制系统(42)计算不同于所述预定最小保护气流设定点并且基于指示所述电压和电流中的所述一个或多个的信号的第二预定最小保护气流设定点，并且在对随后工件的各个焊接的焊接期间，将所述第二预定最小保护气流设定点通信到所述保护气体控制器(56)。

10.一种焊接工件(25、102、104、122、124)的方法，包括：

基于对所述工件(25、102、104、122、124)的第一焊接(106、108、110、126、128、130)的几何形状、焊接速度和焊接方向中的至少一个预先确定保护气体的第一流速；

基于对所述工件(25、102、104、122、124)的第二焊接(106、108、110、126、128、130)的几何形状、焊接速度和焊接方向中的至少一个预先确定所述保护气体的第二流速，所述第二焊接(106、108、110、126、128、130)在几何形状、焊接速度或焊接方向中的至少一个方面与所述第一焊接(106、108、110、126、128、130)不同；

在对所述工件(25、102、104、122、124)的所述第一焊接(106、108、110、126、128、130)的焊接期间，接近第一焊池以所述第一流速分配所述保护气体；以及

在对所述工件(25、102、104、122、124)的所述第二焊接(106、108、110、126、128、130)的焊接期间，接近第二焊池以不同于所述第一流速的所述第二流速分配所述保护气体。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述第一焊接(106、108、110、126、128、130)和所述第二焊接(106、108、110、126、128、130)是对所述工件(25、102、104、122、124)的连续焊接。

12.如权利要求10或11所述的方法，其中所述第一焊接(106、108、110、126、128、130)处于多个焊接的第一焊接序列(100、120)中并且以所述第一流速分配所述保护气体包括针对所述第一焊接序列(100、120)中的每个焊接维持所述第一流速。

13.如权利要求10、11或12中任一项所述的方法，其中所述第二焊接(106、108、110、126、128、130)处于多个焊接的第二焊接序列(100、120)中并且以所述第二流速分配所述保护气体包括针对所述第二焊接序列(100、120)中的每个焊接维持所述第二流速。

14.如权利要求10、11、12或13中任一项所述的方法，还包括：

焊接不同于所述第一工件(25、102、104、122、124)的第二工件(25、102、104、122、124)包括在对所述第二工件(25、102、104、122、124)的第三焊接(106、108、110、126、128、130)的焊接期间，接近第三焊接池以所述第一流速分配所述保护气体，所述第三焊接(106、108、110、126、128、130)在对所述第二工件(25、102、104、122、124)的几何形状、焊接速度和焊接方向中的至少一个方面与所述第一焊接(106、108、110、126、128、130)相同。

15.如权利要求10、11、12、13或14中任一项所述的方法，还包括：

监测对所述工件(25、102、104、122、124)的所述第一焊接(106、108、110、126、128、130)的质量，以及基于所述第一焊接(106、108、110、126、128、130)的质量，在所述第一焊接(106、108、110、126、128、130)的焊接期间和/或对所述工件(25、102、104、122、124)之后的第二工件(25、102、104、122、124)的焊接期间改变所述第一流速。