焊接送丝机电力控制系统及方法

文档序号:3111445
焊接送丝机电力控制系统及方法
【专利摘要】一种操作焊接送丝机的方法包括接收来自电源的输入电力信号并用升压转换器在第一时间将输入电力信号转换为内部总线上的总线电力信号。该方法还包括检测内部总线上的总线电力信号的总线电压和总线电流,并用降压转换器在第二时间将总线电力信号转换为焊接输出信号。该焊接输出信号适合受控波形焊接工艺。该方法还包括检测焊接输出的输出电压和输出电流,并至少部分地基于检测到的总线和输出电流和/或电压来减小内部总线上的电压纹波。
【专利说明】焊接送丝机电力控制系统及方法
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请要求2012年6月8日提交的系列号为61/657,515的美国临时申请(标题为“WELDING WIRE FEEDER POWER CONTROL SYSTEM AND METHOD”)的优先权及权益,上述专利申请出于所有的目的以引用的方式全文并入本文。

【背景技术】
[0003]本发明通常涉及焊接系统,并且更具体地涉及焊接送丝机电力控制系统及方法。
[0004]焊接系统支持多种过程,如金属惰性气体(MIG)焊接、钨惰性气体(TIG)焊接、杆焊接等,它们可以按不同的模式操作,如恒电流或恒电压。某些焊接应用(如锅炉维护和修理、船厂操作、建筑等)可能将焊接位置或工件定位成与焊接电源距离较远。
[0005]MIG技术允许通过从焊接炬给送由惰性气体保护的焊丝来形成连续焊珠。对焊丝施加电力并且通过工件形成完整的电路以维持电弧,所述电弧熔化焊丝和工件以形成所需的焊缝。MIG焊接的高级形式是基于脉冲电力的产生。输入电力与脉冲焊接输出之间的失配产生过多电力的电压纹波要储存在焊接系统内。大量级电压纹波储存在焊接系统内的大电容器中。电压纹波也可影响脉冲焊接输出的焊接质量。


【发明内容】

[0006]与初始要求保护的发明范围相当的某些实施方案总结如下。这些实施方案并不旨在限制要求保护的发明范围,而是这些实施方案仅旨在对本发明的可能形式提供简要概括。实际上,本发明可涵盖可以与下文陈述的实施方案形式类似或不同的多种形式。
[0007]在一个实施方案中,焊接送丝机包括配置成对焊接应用驱动焊丝的焊接送丝驱动装置和耦接于焊接送丝驱动装置的送丝控制电路。送丝控制电路也被配置成控制对焊接应用驱动焊丝。焊接送丝机还包括升压转换器和降压转换器,前者配置成接收输入电力并将输入电力转换为施加于内部总线的总线电力,后者耦接于内部总线并配置成将总线电力转换为适合焊接应用的焊接输出。焊接送丝机还包括输入电压和电流传感器及输出电压和电流传感器,前者配置成分别测量输入电力的输入电压和电流,后者配置成分别测量焊接输出的输出电压和电流。焊接送丝机还包括耦接于升压和降压转换器并耦接于输入和输出电压和电流传感器的控制电路。控制电路被配置成基于输入电压、输入电流、输出电压或输出电流中的至少一项来驱动升压转换器以减小内部总线上的电压纹波。
[0008]在另一实施方案中,焊接送丝机包括配置成对焊接应用驱动焊丝的焊接送丝驱动装置和耦接于焊接送丝驱动装置的送丝控制电路。送丝控制电路也被配置成控制对焊接应用驱动焊丝。焊接送丝机还包括配置成接收输入电力并将输入电力转换为施加于内部总线的总线电力的升压转换器和耦接于内部总线的降压转换器。降压转换器被配置成从内部总线中引出总线电力并将总线电力转换为适合焊接应用的焊接输出。焊接送丝机还包括配置成分别测量总线电力的总线电压和电流的总线电压和电流传感器。焊接送丝机还包括耦接于升压和降压转换器并耦接于总线电压和电流传感器的控制电路。控制电路被配置成通过如下方式减小内部总线上的电压纹波,即至少部分地基于总线电流或电压来驱动升压转换器或降压转换器以调节在对内部总线施加总线电力与自内部总线引出总线电力之间的相对时间差。
[0009]在另一实施方案中,操作焊接送丝机的方法包括接收来自电源的输入电力信号,并用升压转换器在第一时间将输入电力信号转换为内部总线上的总线电力信号。该方法还包括检测内部总线上的总线电力信号的总线电压和总线电流,并用降压转换器在第二时间将总线电力信号转换为焊接输出信号。该焊接输出信号适合受控波形焊接工艺。该方法还包括检测焊接输出的输出电压和输出电流,并至少部分地基于检测到的总线和输出电流和/或电压来减小内部总线上的电压纹波。

【专利附图】

【附图说明】
[0010]当参考附图阅读以下【具体实施方式】时将会更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点,其中在全部附图当中,同样的记号代表同样的部件,其中:
[0011]图1是根据本公开内容的各方面具有焊接电源和高级工艺送丝机的焊接系统的方框图;
[0012]图2是图1的高级工艺送丝机的实施方案的方框图;
[0013]图3是根据本公开内容的各方面的高级工艺送丝机的前透视图;
[0014]图4是图3的高级工艺送丝机的实施方案的顶视图;
[0015]图5是根据本公开内容的各方面使用电力转换电路、继电器电路、感测电路和送丝组件的高级工艺送丝机的实施方案的方框图;
[0016]图6是图5的继电器电路的实施方案的示意图;
[0017]图7是使用高级工艺送丝机产生受控波形输出的工艺实施方案的流程图;
[0018]图8是用于感测提供给高级工艺送丝机的输入电力的极性的工艺实施方案的流程图;
[0019]图9A是用于启动高级工艺送丝机的继电器电路的工艺实施方案的流程图的第一部分;
[0020]图9B是用于启动高级工艺送丝机的继电器电路的工艺的图9A的流程图的第二部分;
[0021]图10是用于调节高级工艺送丝机的电力转换电路的工艺实施方案的流程图;
[0022]图11是总线电压、输入电流、输出电压和输出电流与时间的关系的图表;
[0023]图12是总线电压、输入电流、输出电压和输出电流与时间的关系的另一图表;
[0024]图13是用于控制在加电期间将电力施加于焊接部件(如送丝机或挂件)或将部件连接于焊接电源的示例性电路的图示;
[0025]图14是用于控制对焊接挂件的涌入电流的示例性电路的稍微更详细的图示;以及
[0026]图15是用于控制对焊接送丝机的涌入电流的示例性电路的类似详细图示。

【具体实施方式】
[0027]图1是给焊接应用供电的焊接系统10的实施方案的方框图。如图所示,焊接系统10包括焊接电源12和耦接的焊接炬14。焊接电源12对焊接炬14提供输入电力。焊接炬14可以是基于所需的焊接应用而为杆焊接、钨惰性气体(TIG)焊接或气体金属电弧焊接(GMAff)构造的焊炬。在一些实施方案中,焊接电源12对耦接于为杆焊接或TIG焊接配置的焊炬14的挂件16提供输入电力。操作员为杆或TIG焊接提供填焊金属(如果有的话)。挂件16可以被构造成控制电源12和/或对操作员通知焊接参数。在其它实施方案中,焊接电源12对标准送丝机18提供输入电力。标准送丝机18对为GMAW焊接或焊剂芯电弧焊接(FCAW)构造的焊接炬14提供输入电力和填焊金属。在一些实施方案中,焊接电源12对高级工艺送丝机20提供输入电力。高级工艺送丝机20被构造成将焊接电源12的输入电力转换为焊接输出。在一些实施方案中,高级工艺送丝机20的焊接输出可以是受控波形焊接输出。受控波形焊接输出包括适于脉冲焊接工艺或短路焊接工艺的焊接输出。
[0028]焊接电源12耦接于交变电流(AC)源22,如电网或提供主电源的发动机驱动的发电机。焊接电源12可处理主电源以输入经由电力电缆24供给焊接炬14的电力。在一些实施方案中,电力电缆24包括第一端子26和第二端子28,其中一个端子具有正极性,且另一个具有负极性。电力转换电路30将AC电流转换为直流(DC)或AC形式的输入电力。电力转换电路30可包括能够由焊接系统12的要求决定转换电力的电路元件,如变压器、开关、升压转换器、逆变器等。在一些实施方案中,电力转换电路30被配置成将主电源转换为大约80VDC输入电力以供给挂件16、标准送丝机18或高级工艺送丝机20。输入电力可在大约50至120VDC之间。
[0029]焊接电源12包括控制电路32和操作员接口 34。控制电路32控制焊接电源12的操作并且可接收来自操作员接口 34的输入,操作员通过操作员接口 34可选择焊接工艺(例如,杆、TIG、MIG)和输入所需的输入电力参数(例如,电压、电流,特别是脉冲或非脉冲焊接方式,等等)。控制电路32可以被配置成接收并处理有关系统12的性能和要求的多个输入。控制电路102可包括易失或非易失性存储器,如ROM、RAM、磁存储器、光存储器或它们的组合。此外,可以将各种控制参数连同配置成在操作期间提供特定输出(例如,反极性、预充电容器、启用气流等)的代码储存在存储器中。
[0030]焊接电源12可包括耦接于控制电路32的极性反转电路36和通信电路38。当接受控制电路32的指令时,极性反转电路36使第一和第二端子26、28的极性反转。例如,一些焊接工艺(如TIG焊接)当电极具有负极性时(被称为DC电极接负,DCEN)可使得形成所需的焊缝。其它焊接工艺(如杆或GMAW焊接)当电极具有正极性时(被称为DC电极接正,DCEP)可使得形成所需的焊缝。当在TIG焊接工艺与GMAW焊接工艺之间进行切换时,极性反转电路36可以被配置成使极性从DCEN反转到DCEP。操作员可以手动反转极性,或者控制电路32可响应于通过通信电路38接收的信号来指令极性反转电路36反转极性。通信电路38被配置成与焊接炬14、挂件16、标准送丝机18、高级送丝机20和/或耦接于电力电缆24的其它装置进行通信。在一些实施方案中,通信电路38被配置成经由用于提供输入电力的焊接电力电缆24发送和接收命令和/或反馈信号。在其它实施方案中,通信电路38被配置成与别的装置无线通信。
[0031]包括挂件16、标准送丝机18和高级工艺送丝机20在内的装置通过配置成与电力电缆24的第一和第二端子26、28稱接的输入端子40接收输入电力。在一些实施方案中,第一端子26被配置成与输入端子40连接,并且第二端子28被配置成与耦接于工件44的夹具42连接。在一些实施方案中,输入端子40具有规定极性的输入连接点,其配置成耦接到相同极性的相应第一和第二端子26、28,并且夹具42耦接到挂件16或送丝机18。高级工艺送丝机20被配置成以输入端子40耦接到第一和第二端子26、28,并且夹具42被耦接于高级工艺送丝机20。
[0032]对于一些焊接工艺(例如TIG、GMAW),在焊接期间利用保护气体。在一些实施方案中,如虚线所示,焊接电源12包括配置成控制来自气体源48的气流的一个或多个气体控制阀46。气体控制阀46可由控制电路32控制。焊接电源12可耦接于一个或多个气体源48,因为一些焊接工艺可能利用与其它不同的保护气体。在一些实施方案中,焊接电源12被配置成经由合并的输入电缆50供给气体与输入电力。在其它实施方案中,气体控制阀46和气体源48可以与焊接电源12分开。例如,可以将气体控制阀46设置在标准或高级送丝机18、20内。图1中所示的标准和高级送丝机18、20耦接于配置成对焊接应用供给气体和焊丝54的GMAW焊炬52。
[0033]图2示出用于将输入电力转换为受控波形焊接输出的高级工艺送丝机20的实施方案的方框图。高级工艺送丝机20通过耦接于工艺电路56的输入端子40接收来自焊接电源的输入电力。在一些实施方案中,用长电力电缆自焊接电源远程地操作高级工艺送丝机20。工艺电路56可包括能够感测和控制由高级工艺送丝机20接收的输入电力的电路,如继电器电路、电压和电流感测电路、电力存储电路等等。工艺电路56将输入电力传输到电力转换电路58。
[0034]电力转换电路58被配置成将来自焊接电源的输入电力转换为适合进行焊接应用的焊接输出。电力转换电路58可包括能够将输入电力转换为焊接输出的电路元件,如升压转换器、降压转换器、内部总线、总线电容器、电压和电流传感器等等。在一些实施方案中,由高级工艺送丝机20接收的输入电力为介于大约20V至120V、大约40V至100V或大约60V至80V之间的DC电压。就输入电力而论所使用的术语“大约”可表示与所需电压相差5伏以内或10%以内。电力转换电路58可以被配置成将输入电力转换为受控波形焊接输出,如脉冲的焊接工艺或短路焊接工艺(例如,受调控的金属沉积(RMD?))。设置在高级工艺送丝机20内的电力转换电路58为焊接应用提供受控波形焊接输出,并且没有来自于焊接电源与高级工艺送丝机20之间的电力电缆的衰减。这增加了提供给焊接炬的受控波形焊接输出的响应时间和精确度。增加受控波形焊接输出的响应时间可确保在焊接期间的特定时间将所需的焊接输出波形提供给焊接炬。例如,RMD?焊接工艺利用电流波形在短路周期内的特定时间点变化的受控波形焊接输出。增加受控波形焊接输出的响应时间还可改善波形脉冲的定时以产生所需的焊缝。
[0035]在一些实施方案中,电力转换电路58被配置成对送丝组件60提供焊接输出。送丝组件60对焊接炬供给焊丝54用于焊接操作。送丝组件60包括诸如线轴、送丝驱动装置、驱动辊和送丝控制电路的元件。送丝组件60沿焊接电缆62对焊接炬给送焊丝54。焊接输出可通过耦接于焊接炬的焊接电缆62和/或耦接于工件的工作电缆64供给。
[0036]本发明设想的高级工艺送丝机20的实施方案具有工艺操作员接口 66和控制操作员接口 68,用于控制焊接系统的参数。工艺操作员接口 66耦接于工艺电路56,用于操作员通过选择丝尺寸、丝类型、材料和气体参数来选择和调节焊接工艺(例如,脉冲的、短路、FCAW)。工艺操作员接口 66耦接于送丝组件60,用于控制对焊接炬供给焊丝54。控制操作员接口 68耦接于工艺电路56以调节用于焊接应用的电压、安培数、送丝速度和电弧长度。在一些实施方案中,工艺操作员接口 66和控制操作员接口 68为独立的接口,各自具有相应的控制电路。或者,工艺操作员接口 66和控制操作员接口 68可具有共同的控制电路和/或形成共同的控制及工艺操作员接口。工艺操作员接口 66和/或控制操作员接口 68可包括易失或非易失性存储器,如ROM、RAM、磁存储器、光存储器或它们的组合。此外,可以将各种参数连同配置成在操作期间为缺省参数提供特定输出的代码储存在存储器中。
[0037]工艺接口 66被配置成接收诸如丝材料(例如,钢、铝)、丝类型(例如,实心、带芯的)、丝直径、气体类型等等的输入。在接收到输入之时,工艺电路56被配置成确定用于焊接应用的受控波形焊接输出。例如,工艺电路56至少部分地基于通过工艺接口 66接收的输入来确定用于受控波形焊接输出工艺的脉冲宽度、相对脉冲幅度和/或波形。送丝组件60可以被配置成基于根据接收的输入储存在存储器中的代码或指令而供给焊丝54。送丝组件60耦接于工艺操作员接口 66和控制操作员接口 68,用于控制为焊接操作供给的焊丝54。送丝组件60至少部分地基于经由工艺操作员接口 66或操作员接口 68接收的操作员输入而调节用于对焊接炬供给焊丝54的参数。控制操作员接口 68被配置成接收用于诸如安培数、电压、极性、送丝速率、电弧长度、工艺类型(例如,RMD?、脉冲焊接)等等的参数的操作员输入。在一些实施方案中,控制操作员接口被配置成调节受控波形焊接输出的功率而不影响受控波形焊接输出的形状。工艺电路56至少部分地基于经由控制操作员接口 68接收的操作员输入而调节电力转换电路58和送丝组件60。在一些实施方案中,耦接于工艺电路56的通信电路70被配置成经由用于提供输入电力的电力电缆发送和接收命令和/或反馈信号。通信电路70使工艺操作员接口 66和/或控制操作员68能够控制焊接电源。例如,工艺操作员接口 66和/或控制操作员68可以被配置成控制由焊接电源提供的输入电力的安培数、电压或其它参数。在一些实施方案中,工艺电路56从远离焊接电源的位置控制焊接电源而不用被限制于操作员接口 34上设定的参数(图1)。也就是说,工艺电路56和通信电路70使操作员能够通过高级工艺送丝机20远程地控制焊接电源,与焊接电源的操作员接口 34具有同等的控制优先级。
[0038]高级工艺送丝机20的一些实施方案包括用于沿气体管线74对焊接炬提供气体的阀组件72。阀组件72可由工艺电路56和/或送丝组件60控制,如虚线控制管线所示。例如,阀组件72可以被配置成在焊接应用之前和之后对焊接炬供给气体。在一些实施方案中,阀组件72被配置成经接收到来自工艺操作员接口 66或控制操作员接口 68的吹扫命令而吹扫气体管线74。
[0039]图3示出设置在外壳76中的高级工艺送丝机20的实施方案的前透视图,所述外壳76具有与控制操作员接口 68分开的工艺操作员接口 66。在一些实施方案中,高级工艺送丝机20设置在具有外壳底78和外壳盖80的外壳76中,以当关闭外壳76时保护送丝组件60免受操作环境的影响。外壳76可基本上是便携式的(例如,手提箱送丝机),并且被构造成由操作员手动搬运到远离焊接电源的焊接应用处。为清楚地示出设置在外壳内的送丝组件60的实施方案,外壳盖80以虚线显示。
[0040]控制操作员接口 68可设置在外壳76以外,如图3中所示出的那样。控制操作员接口 68可包括一个或多个转盘82、一个或多个显示器84和一个或多个按钮86。在一些实施方案中,转盘82可以被配置成调节输入电力或焊接输出的电压和/或安培数、丝速度或电弧长度或它们的组合。一个或多个按钮86可以使操作员能够选择先前储存在存储器中的工艺类型、操作员首选项或工艺参数或它们的组合。控制操作员接口 68可以使操作员能够选择储存在存储器中的工艺参数,如先前为选定受控波形焊接工艺所选择的安培数和丝速度。显示器84可以被配置成显示调节的工艺参数和/或选定的工艺类型(例如,RMD?、脉冲焊接、FCAW, MIG)。在一些实施方案中,一个或多个显示器84、灯或其它装置可以被配置成提供操作员可感知到的通知信息,以将耦接的电力电缆的极性是否对应于相应的输入端40的情况通知给操作员。
[0041]高级工艺送丝机20的实施方案包括一个或多个焊丝54的线轴88,它们设置在外壳76内以供给送丝驱动装置90。焊丝54通过送丝驱动装置90和输出端子91被拉出到焊接电缆62。在一些实施方案中,气体管线74可以在焊接电缆62内,如图所示。工作电缆64耦接于输出端子91。
[0042]图4示出高级工艺送丝机20的实施方案的顶视图,工艺操作员接口 66设置在外壳76内。工艺操作员接口 66可包括一个或多个按钮92和一个或多个指示器94以接收和显示丝参数和材料参数。在一些实施方案中,工艺操作员接口 66可以被配置成接收气体参数。工艺操作员接口 66的一个或多个按钮92可以被配置成接收诸如丝材料(例如,钢、铝)、丝类型(例如,实心、带芯的)、丝直径和气体类型的输入。在一些实施方案中,对丝和/或气体参数进行调节的频率可低于通过控制操作员接口 68所选定的控制参数。例如,可以将工艺操作员接口 66设置于在焊接期间通常是关闭的外壳内。作为另一个例子,可以在更换焊丝54的线轴88时初步地调节工艺操作员接口 66。54指示器94可包括显示器、灯或配置成提供操作员可感知到的指示选定的丝和/或气体参数的通知信息的其它装置。送丝驱动装置90的两个或更多个驱动轮98被配置成沿焊接电缆62引导焊丝54通过输出端子91。
[0043]图5示出具有工艺电路56、电力转换电路58和送丝组件60的高级工艺送丝机20的实施方案的方框图。高级工艺送丝机20的实施方案可耦接于具有电感100的长电力电缆24。如可以理解的那样,电力电缆24可以是常规的电力电缆24。如上面所讨论的那样,高级工艺送丝机20的位置可远离焊接电源。例如,可以将高级工艺送丝机20设置成离焊接电源12在大约30至200英尺、大约50至150英尺或大约100至150英尺之间。在一些实施方案中,位于远程的高级工艺送丝机可在与焊接电源12所处不同的建筑物、结构或房间中。在电力电缆24被盘绕、延长和移动时,在使用期间可改变电感100。
[0044]电力转换电路58被配置成接收来自电力电缆24的输入电力并将输入电力转换为焊接输出。电力转换电路可将输入电力转换为焊接输出而不考虑电力电缆24的电感100。工艺控制电路102至少部分地基于接收自工艺操作员接口 66和/或控制操作员接口 68的参数而控制电力转换电路58。工艺控制电路102控制升压转换器104和降压转换器106以将输入电力转换为焊接输出。内部总线108可设置在升压转换器104与降压转换器106之间。为清楚起见,本文讨论了仅一个升压转换器104和降压转换器106的情况,然而,电力转换电路58的其它实施方案可具有一个或多个升压转换器104和/或一个或多个降压转换器106。升压转换器104和降压转换器106被配置成将输入电力转换为适合受控波形焊接工艺(如适合RMD?和脉冲焊接工艺)的焊接输出。
[0045]升压转换器104接收来自输入端子40的DC电压并升高或增加供给降压转换器106的总线电力的DC电压。如可以理解的那样,升压转换器104使用开关(例如,FET)以打开和关闭升压电路,将来自焊接电源的DC输入电力转换为基本上脉冲升高的电压DC总线电力。DC总线电力的升高电压是至少基于开关的占空比(duty cycle)的。改变开关的占空比会影响何时将升高电压DC总线电力供给内部总线108的定时。通过控制升压转换器104的开关,工艺控制电路102可调节DC总线电力的定时、电压和安培数。
[0046]降压转换器106接收升高电压DC总线电力并降低或减小DC电压以控制焊接输出的安培数。如可以理解的那样,降压转换器106使用开关(例如,FET)以打开和关闭降压电路,将脉冲升高的电压DC总线电力转换为脉冲降低的电压DC焊接输出。如同升压转换器104的情况,改变降压转换器106的开关的占空比会影响何时将降低电压DC焊接输出供给焊接炬的定时。在一些实施方案中,多个降压转换器sl06可以按并联方式耦接于内部总线108并单独受控以影响对焊接输出进行变化(例如,脉冲)的定时和幅度。通过控制降压转换器106的开关,工艺控制电路102可调节DC焊接输出的定时、电压和安培数。控制电路102被配置成基于操作员选定的焊接工艺(例如,RMD?、脉冲焊接、FCAW、MIG)来控制升压和降压转换器104、106的开关,以动态地调节供给焊炬的DC焊接输出的电压和/或安培数。在一些实施方案中,工艺控制电路102被配置成基于输入电力、总线电力或焊接输出的感测参数或它们的组合来控制升压转换器104和/或降压转换器106。例如,控制电路102可基于焊接输出的感测参数来控制升压转换器104,以控制跨越内部总线108的电压。
[0047]在一些实施方案中,可将电力存储电路(例如,总线电容器110)设置在内部总线108上。总线电容器110可部分地保护升压转换器104和/或降压转换器106免于在任何时候在进入电力转换电路58的输入电力与来自电力转换电路58的焊接输出之间产生差异。如上面所讨论的那样,通过升压转换器104转换的总线电力被引导到内部总线108,然后被引导到降压转换器106。总线电容器110可以被配置成储存总线电力,直到其由降压转换器106接收。在总线电容器110中储存和施放相对大量的电力可将总线电容器加热。由升压转换器104供给的总线电力与由降压转换器106引出以转换为焊接输出的总线电力之间的电压差可以被测量为电压纹波。减小电压纹波的量级可提高焊缝质量和/或维持总线电容器110的温度。总线电容器110的尺寸和电容可以是基于电压纹波的量级的,所述电压纹波至少部分地受控制升压转换器104和降压转换器106的影响。总线电容器110可部分地衰减和/或延迟电压纹波。
[0048]在一些实施方案中,工艺控制电路102被配置成至少部分地基于输入电力和焊接输出的感测参数来控制升压转换器104和降压转换器106的占空比以减小总线电容器110的电压纹波。输入电力的电流和电压通过输入传感器118由感测电路116在第一和第二连接点112、114处感测。感测电路116通过总线传感器120感测在内部总线108处跨越总线电容器110的电流和电压,并通过输出传感器122感测焊接输出的电流和电压。工艺控制电路102可至少部分地基于焊接输出、输入电力或总线电力的感测参数(例如,电压、电流)或它们的组合来驱动升压转换器104和降压转换器106。例如,感测电路116可以用焊接输出传感器122感测焊接输出的电压和电流,并用输入传感器118和总线传感器120感测输入电力和总线电力的电压。在一些实施方案中,工艺控制电路102被配置成确定焊接输出电流和电压的乘积(即,功率)及电力转换电路58的损失,确定损失及乘积的总和,将总和除以输入电压以确定所需的总线电流,并驱动升压转换器104以控制总线电流。升压转换器104可将总线电流控制到所需的总线电流,以使进入内部总线108的总线电力与自内部总线108引出的焊接输出基本上匹配。电力电缆24的电感100延迟电流从焊接电源流入内部总线108。基于输入传感器118和/或总线传感器120而不是在焊接电源处的输入电力的电流和电压来控制升压转换器104减小了总线电容器110上的电压纹波。基于输入传感器118和/或总线传感器120来控制升压转换器104减少或消除了电感100对焊接输出的影响。在一些实施方案中,工艺控制电路102被配置成控制升压和降压转换器104、106,以至少在降压转换器106正在将总线电力转换为适合受控波形焊接工艺(例如,脉冲焊接、短路焊接)的焊接输出之时减小内部总线108上的电压纹波。
[0049]工艺控制电路102可以被配置成通过为升压和降压转换器104、106内开关的占空比调节控制信号的定时来减小电压纹波。通过调节控制信号的定时,工艺控制电路102可以被配置成使焊接输出电压和电流的脉冲(例如,相位)与输入电力的输入电流的脉冲大致对准。工艺控制电路102可调节来自升压转换器104和/或降压转换器106的相对定时(例如,相位移、时间超前、时间延迟)信号脉冲以减小电压纹波。减小内部总线108上的电压纹波可以使总线电容器110能够实现更小、更轻、更凉、更有效、更便宜,或实现这些情况的组合。工艺控制电路102可以被配置成对于电力电缆24的任何电感100将电压纹波调谐到最小值。按此方式,在焊接系统的操作期间或者在各焊接操作之间可改变电感100而不影响内部总线108上的电压纹波和/或来自降压转换器106的焊接输出。
[0050]沿耦接于输入端子40的电力电缆24自焊接电源接收输入电力。在一些实施方案中,输入端子40具有带相应的规定极性的第一输入连接点112和第二输入连接点114。如上面所讨论的那样,第一和第二端子26、28具有正极性和负极性,因此输入电力是极化的。在一些实施方案中,感测电路116被配置成使用输入传感器118来检测供给第一和第二输入连接点112、114的极化输入电力的极性。感测电路116可以被配置成检测第一和第二端子26、28的极性与第一和第二输入连接点112、114的规定极性之间的失配。耦接于感测电路116的工艺控制电路102可以被配置成仅在检测到的输入电力极性对应于第一和第二输入连接点112、114的规定极性的情况下对电力转换电路58提供极化输入电力。高级工艺送丝机20可以被配置成为特定的焊接应用提供极化焊接输出。切换第一和第二端子26、28的极性以使端子26、28不对应于第一和第二输入连接点112、114,这样可将电力电缆62和工作电缆64的极性从DCEN切换到DCEP或者从DCEP切换到DCEN。
[0051]在一些实施方案中,高级工艺送丝机20被配置成将输入电力的极性通知给操作员和/或自动地切换输入电力的极性。例如,工艺操作员接口 66和/或控制操作员接口 68可以被配置成提供操作员可感知到的有关极化输入电力的极性是否不对应于第一和第二输入连接点112、114的规定极性的通知信息。通信电路可以被配置成经由到焊接电源的电力电缆发送和接收命令和/或反馈信号。通信电路发送指示输入连接点的极性之间失配的信号,以使焊接电源可提供操作员可感知到的有关极性的通知信息和/或反转输入电力的极性。在一些实施方案中,焊接电源的极性反转电路36(图1)基于所述信号来反转极化输入电力的极性,以使极化输入电力的极性对应于第一和第二输入连接点112、114的规定极性。
[0052]感测电路116还被配置成用总线传感器120测量内部总线108的电流和/或电压以及用焊接输出传感器122测量焊接输出的电流和/或电压。工艺控制电路102通过感测电路116来监控输入传感器118、总线传感器120和焊接输出传感器122。在检测到极化输入电力和/或焊接输出变化到阈值范围以外的值之时,工艺控制电路102可打开继电器电路124以中断对焊接送丝机20的操作部件供给极化输入电力。操作部件可包括但不限于电力转换电路58、焊接送丝驱动装置90或送丝控制电路或它们的任意组合。阈值范围具有最大阈值(例如,大约80V、100V、120V或更高)和最小阈值(例如,大约20V、25V或30V)。当极化输入电力和/或焊接输出处于阈值范围内时操作电力转换电路可提高转换的稳定性或一致性。例如,继电器电路124下游的短路可导致跨越内部总线108的电压下降和/或焊接输出的电压下降。打开继电器电路124可保护至少继电器电路124不会由于下游的短路而接收过多的输入电力。继电器电路124可包括诸如闩锁继电器、非闩锁继电器、固态开关等的电路兀件。继电器电路124被配置成关闭以提供对电力转换电路58的输入电力和打开以中断对电力转换电路58的输入电力。在一些实施方案中,电力存储电路可提供电力以打开继电器电路124和中断输入电力。电力存储电路可包括辅助电源126和/或内部总线108上的总线电容器110。
[0053]本发明设想的继电器电路124的实施方案包括以并联方式耦接在第一和第二继电器接点132、134处的电力继电器128和旁路电路130。电力继电器128可以是配置成当关闭时沿第一电流路径129运载高安培数DC的闩锁继电器或非闩锁继电器。闩锁继电器可以比具有相同电流容量的非闩锁继电器更小和更轻。在一些实施方案中,电力继电器128可以是由德国Wehingen的Gruner制造的753型继电器。旁路电路130可包括但不限于驱动电路、电压钳制装置(例如,金属氧化物电阻器)和响应来自驱动电路的驱动信号的一个或多个开关。一个或多个开关被配置成当关闭时沿第二电流路径131运载电流。电压钳制装置可以被配置成响应于跨越继电器电路124的电压尖峰(例如,快速增加或减少)而钳制跨越第一和第二继电器接点132、134的电压。电压尖峰可导致大电流要不然沿第一和/或第二电流路径129、131流动。电压钳制装置可以被配置成消散储存在电力电缆24的电感100中的一些能量。在一些实施方案中,如果第一和第二端子26、28的极性不对应于耦接的第一和第二端子112、114的相应规定极性,则旁路电路130可包括至少一对开关以保护驱动电路。旁路电路130还可包括以并联方式耦接于电力继电器128的多个固态开关(例如,晶体管)以提供所需的电流运载能力,如高安培数DC输入电力。驱动电路可以为工艺控制电路102或由工艺控制电路102控制的单独电路。
[0054]工艺控制电路102被配置成对电力继电器128施加信号以打开和关闭电力继电器128,并且与打开和关闭电力继电器128协同地对旁路电路130施加信号以打开和关闭旁路电路130。在一些实施方案中,基本上同时施加用以打开和关闭电力继电器128的信号及用以打开和关闭旁路电路130的信号。旁路电路130可以被配置成以短时间沿第二电流路径131将输入电力的一部分运载到电力转换电路58,以减少在该短时间通过电力继电器128沿第一电流路径129运载的剩余部分的输入电力。当关闭时,旁路电路130的开关被配置成减少跨越电力继电器128的电流,以使电力继电器128能打开或关闭而不产生电弧和/或采用磁灭弧。在工艺控制电路102发出信号令电力继电器128打开或关闭之后,工艺控制电路102发出信号令旁路电路130的开关打开以中断沿第二电流路径131的那部分输入电力。旁路电路130的开关可以被配置成在打开或关闭电力继电器128的同时以所述短时间沿第二电流路径131运载输入电力。
[0055]在焊接期间关闭电力继电器128以对电力转换电路58提供输入电力。在一些实施方案中,耦接于感测电路116的工艺控制电路102被配置成监控输入电力的电压和跨越内部总线108的电压。控制电路102被配置成至少部分地基于输入电压或跨越内部总线108的电压的下降而打开电力继电器128,所述电压的下降可指示继电器电路124下游的短路。工艺控制电路102可用储存在电力存储电路(如辅助供电装置126或总线电容器110)中的电力启动电力继电器130。例如,工艺控制电路102可施放电力存储电路对线圈供电以打开或关闭电力继电器128。
[0056]在一些实施方案中,电力存储电路可在焊接电源提供适合转换为焊接输出的输入电力之前被充电。内部总线108上的电力存储电路(例如,总线电容器110)可由接收的初始水平的输入电流充电。在一些实施方案中,工艺控制电路102将预充电信号传送到焊接电源,以将输入电力的输入电流减小到初始水平。感测电路116可用总线传感器120感测电力存储电路的电荷。在一些实施方案中,工艺控制电路102可基于输入电力电压与跨越内部总线108的电压之间的比较对焊接电源启动信号,以将输入电流增加到较高水平。在一些实施方案中,在关闭第一电流路径129并打开第二电流路径131之后,工艺控制信号以较高的水平接收输入电流。首先接收初始水平的输入电流,然后再接收较高水平的输入电流,这样使得能够分阶段地初始化高级工艺送丝机20,以减少涌入电流和通过工艺控制电路102和/或电力转换电路58引出的输入电力。例如,当总线电压为输入电力电压的大约50 %、75 %或100 %时,工艺控制电路102可以对焊接电源启动信号。在一些实施方案中,信号经由通信电路70和电力电缆24发送到焊接电源。
[0057]升压转换器104与降压转换器106之间的总线电容器110可在高级工艺送丝机20内实现若干功能。总线电容器110可储存电力来打开或关闭继电器电路124,以中断到操作部件(例如,电力转换电路58、送丝驱动装置90、送丝控制电路136)的输入电力流。工艺控制电路102可基于总线电容器110和/或输入连接点112、114的电压来打开或关闭继电器电路124。工艺控制电路102还可至少部分地基于总线电容器110和/或输入连接点112,114的感测电压来对焊接电源发送信号。
[0058]在一些实施方案中,旁路电路130被配置成在如果继电器电路124下游有短路的情况下防止电力继电器128关闭。工艺控制电路102可通过关闭第二电流路径131以确定内部总线108的电压是否可增加的方式来测试高级工艺送丝机20。在继电器电路124下游短路的情况下,内部总线108的电压将不会增加。当工艺控制电路102确定内部总线108的电压可增加时,工艺控制电路102可关闭电力继电器128,以使输入电力能流向电力转换电路58。针对继电器电路124的下游短路测试高级工艺送丝机20使电力继电器128能在发生短路的情况下保持打开。
[0059]送丝组件60由耦接于送丝驱动装置90的送丝控制电路136控制。送丝控制电路136可耦接于工艺操作员接口 66、控制操作员接口 68和工艺控制电路102。送丝控制电路136至少部分地基于经由工艺操作员接口 66和控制操作员接口 68接收的参数来控制送丝驱动装置90,以对焊接电缆62供给焊丝54。如上面所讨论的那样,工艺操作员接口 66可以被配置成接收对于气体参数的输入。耦接于气体管线74的阀组件72被配置成由工艺控制电路102和/或送丝控制电路136控制。
[0060]图6示出图5的旁路电路130的实施方案沿线6-6的示意图。如上所述,旁路电路130在第一和第二继电器接点132、134处以并联方式与电力继电器128耦接。旁路电路130包括以并联方式耦接于电力继电器128的一个或多个开关138,如金属-氧化物-半导体场-效应晶体管(MOSFET)。在一些实施方案中,可以将固态开关布置成防串联的并联配置。电力继电器128和旁路电路130由工艺控制电路控制成在基本上相同的时间打开和关闭以减少跨越电力继电器128的电弧产生。关闭电力继电器128使电流能沿第一电流路径129流动,并且关闭开关138使电流能沿第二电流路径131流动。第二电流路径131可包括在并联开关之间的若干支路140、142、144和146。改变支路的数目影响沿第二电流路径131的电流运载能力,从而影响到当电力继电器128启动时沿第一路径129的电流。当启动电力继电器128时减小沿第一路径129的电流减少了电力继电器触点之间的电弧产生。工艺控制电路被配置成通过栅极148或其它控制开关来控制一个或多个开关138,以同时或顺序地打开和关闭一个或多个开关138。除非由工艺控制电路控制成关闭外,一个或多个开关138被配置成是打开的。
[0061]在接收到来自工艺控制电路的控制信号之时,一个或多个开关138被配置成关闭,打开第二电流路径131。在一个或多个开关138关闭时,工艺控制电路控制电力继电器128以启动打开或关闭,由于有沿第二电流路径131的电流的原因,沿第一电流路径129的电流减小。在电力继电器128启动打开或关闭之后,工艺控制电路打开一个或多个开关138以打开第二电流路径131。来自控制一个或多个开关138和电力继电器128的控制信号可以是基本上同时地打开和关闭第一和第二电流路径129、131的脉冲。也就是说,电力继电器128可以在大约5至50毫秒、10至40毫秒或大约20至30毫秒内打开和关闭第一和第二电流路径129、131。
[0062]旁路电路130包括电压钳制装置150 (例如,金属氧化物电阻器、变阻器)以保护一个或多个开关138和电力继电器128不产生过电压。在打开电力继电器128之时,第一与第二继电器接点132、134之间的电压可随着总线电容器、电力电缆和/或辅助电源或其它电路释放储存的电荷而增加。电压钳制装置150被配置成在较高电压下比在较低电压下的电阻大。电压钳制装置150随着第一与第二继电器接点132、134之间的电压增加而沿第三电流路径152运载更多的电流以维持以维持沿第一和第二电流路径129、131的电流在阈值水平以下。
[0063]可根据如图7-10中所示的多种方法利用图5的高级工艺送丝机。高级工艺送丝机的一些实施方案可运用于所有图7-10所示的实施方案。高级工艺送丝机的其它实施方案可仅运用于一些图7-10所示的实施方案。图7示出在高级工艺送丝机内将输入电力转换为受控波形焊接输出的方法154。方法的第一步骤156是接收来自焊接电源的输入电力。在一些实施方案中,输入电力可以是大约80V的极化DC输入电力。如果输入电力是直接供给焊接炬的,则其可以不适合受控波形焊接工艺。在步骤158,操作员可打开高级工艺送丝机的外壳。操作员可打开外壳以安装或更换焊丝线轴,或者调节与焊丝和气体供给有关的参数。在步骤160,外壳内的工艺操作员接口于外壳在步骤162关闭之前接收丝和/或气体参数。在步骤164,工艺控制电路确定工艺参数。工艺参数包括受控波形输出、安培数、焊丝的给送速率等。可基于通过工艺操作员接口接收的参数来确定工艺参数。在一些实施方案中,控制电路基于储存在存储器中的代码和/或指令自动地确定用于受控波形焊接输出的工艺参数,无需由操作员直接选择工艺类型。高级工艺送丝机可在步骤166与焊接电源进行通信,以至少部分地基于接收的工艺和/或丝参数来调节输入电力。在一些实施方案中,步骤166可在高级工艺送丝机的操作期间的任何时候进行。在方框168,高级工艺送丝机将输入电力转换为焊接输出。焊接输出可以为适合短路或脉冲焊接工艺的受控波形焊接输出。由高级工艺送丝机内的电力转换电路转换的焊接输出不被耦接于焊接电源的电力电缆的电感衰减。高级工艺送丝机在步骤170接收保护气体。可通过焊接电源或单独的气体供给装置来供给保护气体。在步骤172,高级工艺送丝机至少部分地基于在步骤160和164接收的输入对焊接炬提供丝和气体。在步骤174,至少部分地基于在步骤164接收的输入将焊接输出提供给焊接炬。焊接输出可适合受控波形焊接工艺,因为电力转换电路与焊接炬之间距离相对较短并且电感低。
[0064]图8示出感测通过高级工艺送丝机接收的输入电力的极性的方法176。在步骤178,高级工艺送丝机接收来自焊接电源的极化输入电力。极化输入电力沿电力电缆的第一和第二端子供给。在两个输入连接点处接收输入电力,每个输入连接点具有规定的极性。在方框180,感测电路用输入传感器在第一和第二输入连接点处检测极化输入电力的极性和电压。在一些实施方案中,在方框182,接收的输入电力可对电力存储电路(如辅助电源和/或总线电容器)充电。
[0065]在于步骤180检测到输入电力的极性之时,感测电路在节点184处验证第一和第二端子是否对应于输入连接点的规定极性。如果极性之间失配,则高级工艺送丝机内的工艺控制电路可通过工艺操作员接口、控制操作员接口和/或焊接电源用操作员可感知到的通知信息将失配的极性通知给操作员。或者,在方框188,工艺控制电路可以与焊接电源进行通信以指示焊接电源改变输入电力的极性,如在方框190所示。如果输入电力的极性匹配规定极性连接点的极性,则工艺控制电路在节点192处确定输入电力和输入电压是否基本上稳定。如果输入电压是稳定的,则将输入电力供给电力转换电路。在焊接过程期间,工艺控制电路可以在节点192处周期性地感测和确定输入电压是否稳定。如果输入电压不稳定,则工艺控制电路可中断对电力转换电路的极化输入电力供给。工艺控制电路可通过打开电力转换电路上游的电力继电器和/或与焊接电源进行通信以停止供给高级工艺送丝机输入电力的方式来中断极化输入电力。如果输入电力被中断,则可当接收到极化输入电力时自步骤178重复方法176。
[0066]如果输入电压是稳定的,贝1J在方框196将输入电力供给电力转换电路以将极化输入电力转换为焊接输出。焊接输出可以为适合短路或脉冲焊接工艺的受控波形焊接输出。此外,焊接输出可适合FCAW工艺或GMAW焊接工艺。由高级工艺送丝机20内的电力转换电路转换的焊接输出不被耦接于焊接电源的电力电缆的电感衰减。高级工艺送丝机在步骤170接收保护气体。可通过焊接电源或单独的气体供给装置来供给保护气体。在步骤172,高级工艺送丝机对焊接炬提供丝和气体。在步骤174,将焊接输出提供给焊接炬。提供的焊接输出可适合受控波形焊接工艺,因为电力转换电路与焊接炬之间距离相对较短并且电感低。
[0067]图9A示出对高级工艺送丝机的电路元件进行预充电和使用与电力继电器并联的旁路电路的方法198的第一部分。当高级工艺送丝机电耦接于焊接电源时,高级工艺送丝机在步骤199对焊接电源发送预充电信号。预充电信号指示焊接电源将预充电输入电力的电流限制到初始水平。在步骤200,高级工艺送丝机接收初始水平的输入电力。在步骤201,工艺控制电路对旁路电路发送控制信号来关闭第二电流路径,以将初始水平的输入电力传输到电力存储电路(例如,内部总线上的总线电容器)。初始水平的输入电力在步骤202对电力存储电路(例如,总线电容器)进行充电。感测电路在步骤204检测输入电力和总线电力的电压。总线电力的电压是储存在总线电容器中的电力的量度。在节点206处,工艺控制电路将输入电力和总线电力的电压进行比较。在一些实施方案中,在节点206处,工艺控制电路测试继电器电路,如上面参考图5来确定继电器电路下游存在短路的情况所述。如果下游存在短路(例如,电压在阈值以下),则工艺控制电路可不关闭电力继电器,以使输入电力不通过短路。在发生下游短路的情况下,工艺控制电路可在方框207打开旁路电路。在旁路电路打开之后,电压钳制装置在方框209钳制电压以至少部分地保护继电器电路。工艺控制电路可在方框211发送信号到焊接电源、工艺操作员接口和/或控制操作员接口。在一些实施方案中,所述信号可控制焊接电源以停止产生输入电力。在其它实施方案中,所述信号控制操作员接口,以在方框213对操作员指示故障(例如,短路)。如果总线电力的电压在阈值以上(例如,电力存储电路被充电并且不存在短路,则工艺控制电路在步骤208对电力继电器发送控制信号以关闭第一电流路径。
[0068]在关闭电力继电器之后,在步骤210,工艺控制电路对旁路电路发送控制信号以打开第二电流路径。在一些实施方案中,工艺控制电路在方框212对焊接电源发送信号。所述信号指示焊接电源将输入电力的电流增加到较高水平。在其它实施方案中,焊接电源被配置成在步骤210之后的规定时间段后将电流增加到较高水平。在一些实施方案中,高级工艺送丝机的工艺控制电路可基本上同时地或者在不到大约50毫秒、不到大约30毫秒或不到大约15毫秒以内执行步骤208和210。高级工艺送丝机在方框214接收较高水平的输入电力。较高水平的输入电力适合在方框216转换为用于所需焊接工艺的焊接输出。
[0069]高级工艺送丝机的电力转换电路在步骤216将较高水平的输入电力转换为焊接输出。焊接输出可以为适合短路或脉冲焊接工艺的受控波形焊接输出。此外,焊接输出可适合FCAW工艺或GMAW焊接工艺。由高级工艺送丝机内的电力转换电路转换的焊接输出不被耦接于焊接电源的电力电缆的电感衰减。图9B示出可在方框216期间和之后进行配置的方法198的第二部分。在焊接过程期间,在节点218处,感测电路监控输入电力和总线电力的电压以控制继电器电路。在一些实施方案中,感测电路还可检测输入电力的极性,如上面参考图8中的方法176对操作员通知极性失配或在焊接电源处反转极性的情况所述。
[0070]如果感测电路检测到跨越内部总线的电压下降和/或输入电力的电压下降,则工艺控制电路在步骤220、224和226中启动继电器电路以中断对电力转换电路的输入电力。工艺控制电路在步骤220对旁路电路发送控制信号以关闭第二电流路径。同时或在步骤220之后不久,工艺控制电路在步骤224对电力继电器发送控制信号以打开第一电流路径。工艺控制电路可使至少一些电力存储电路放电以驱动电力继电器打开。例如,电力存储电路可储存用以驱动磁线圈的电力,以在接收到来自工艺控制电路的控制信号之时打开电力继电器。在电力继电器打开之后,在步骤226,工艺控制电路对旁路电路发送控制信号以打开第二电流路径。在一些实施方案中,高级工艺送丝机的工艺控制电路可基本上同时地或者在不到大约50毫秒、不到大约30毫秒或不到大约15毫秒以内执行步骤220、224和226。在第一和第二电流路径打开之后,跨越继电器电路的电压可由于储存在电力电缆和/或电力存储电路内的电力的原因而增加。继电器电路的电压钳制装置在方框228钳制电压以降低储存的能量对电力继电器或旁路电路的影响。在整个方法198当中,比如如果感测电路检测到输入电力和总线电力的稳定电压,则高级工艺送丝机可在步骤230与焊接电源进行通信。高级工艺送丝机可指示焊接电源来调节输入电力(例如,停止供给输入电力)。
[0071]高级工艺送丝机在步骤170接收保护气体。可通过焊接电源或单独的气体供给装置来供给保护气体。在步骤172,高级工艺送丝机对焊接炬提供丝和气体。在步骤174,将焊接输出提供给焊接炬。所提供的焊接输出可适合受控波形焊接工艺,因为电力转换电路与焊接炬之间距离相对较短并且电感低。
[0072]图10示出控制输入电力的电流以减小内部总线上的电压纹波的方法232。方法232的第一步骤234是接收来自焊接电源的输入电力。在一些实施方案中,输入电力可以是大约80V的极化DC输入电力。在整个方法232中,高级工艺送丝机可如在步骤236所示与焊接电源进行通信。电力转换电路的升压转换器接收输入电力并在步骤238将输入电力转换为总线电力。总线电力沿内部总线从升压转换器传输到降压转换器。感测电路在步骤240检测总线电力的电流和电压。在步骤242,降压转换器将来自内部总线的总线电力转换为焊接输出。焊接输出可以为适合短路或脉冲焊接工艺的受控波形焊接输出。此外,焊接输出可适合FCAW工艺或GMAW焊接工艺。感测电路还在步骤244检测焊接输出的电流和电压。
[0073]工艺控制电路接收检测到的电流并处理检测到的测量结果以调节电力转换电路。在一些实施方案中,工艺控制电路被配置成确定总线电力的所需电流以减小跨越内部总线的电压纹波。工艺控制电路可通过确定焊接输出电流和电压的乘积、确定乘积和转换损失的总和并将总和除以总线电压的方式来确定总线电力的所需电流。工艺控制电路可基于自步骤240和244检测到的电流和电压测量结果在步骤248调节对升压和降压转换器的命令信号。在一些实施方案中,工艺控制电路调节对电力转换电路的命令信号以使进入内部总线的总线电力与进入降压转换器的总线电力在时间上基本匹配。这减小了跨越内部总线的电压纹波。工艺控制电路被配置成至少部分地基于焊接输出来调节总线电力的电流。在一些实施方案中,工艺控制电路被配置成调节升压转换器内的开关的占空比,以在时间上提前或延迟(例如,相位移)将输入电力转换为总线电力。工艺控制电路还被配置成调节降压转换器内的开关的占空比,以在时间上提前或延迟(例如,相位移)将总线电力转换为焊接输出。在一些实施方案中,工艺控制电路被配置成基于反馈来动态地调节升压转换器和降压转换器,以将电压纹波调谐到最小值。工艺控制电路被配置成针对电力电缆的任何电感将电压纹波调谐到最小值。
[0074]高级工艺送丝机在步骤170接收保护气体。可通过焊接电源或单独的气体供给装置来供给保护气体。在步骤172,高级工艺送丝机对焊接炬提供丝和气体。在步骤174,将焊接输出提供给焊接炬。所提供的焊接输出可适合受控波形焊接工艺,因为电力转换电路与焊接炬之间距离相对较短并且电感低。
[0075]图11是示出不调节电力转换电路的高级工艺送丝机的总线电压、输入电流和焊接输出参数的实施方案与时间的关系的图表249。图表249示出由升压转换器提供在内部总线上的一系列输入电流脉冲和由降压转换器自适合受控波形焊接工艺的内部总线引出的焊接输出。信号250是按在内部总线上测量的电压纹波。信号252是由降压转换器引出的焊接输出的输出电流,且信号254是由降压转换器引出的焊接输出的输出电压。信号256是由升压转换器提供的自输入电力转换的总线电力的电流。所示信号中的每一者具有规则的周期,然而,输出电流和电压252、254的输出定时(例如,相位)先于总线电流256的输入定时(例如,相位)。也就是说,总线电流256的峰260的定时与焊接输出电流252和焊接输出电压254的峰258的定时发生偏移(例如,延迟)。图表249的输出峰258与输入峰260之间的相对时间差导致电压纹波具有大的峰到峰振幅262。
[0076]图12是示出为其调节了电力转换电路以减小电压纹波的高级工艺送丝机的总线电压、输入电流和焊接输出参数的实施方案与时间的关系的图表264。在此实施方案中,电压纹波250的峰到峰振幅262基本上小于图11的图表249中的情况。工艺控制电路控制升压转换器和/或降压转换器内的开关的占空比以减小电压纹波250。例如,工艺控制电路调节输出电流和电压的输出峰258的定时、调节总线电流的输入峰260的定时,或为这两种情况的组合。图12示出这样的实施方案,其中工艺控制电路延迟输出峰258的定时以与输入峰260的定时更紧密地一致,从而减小电压纹波250的峰到峰振幅262。在一些实施方案中,当输入电流256和输入电压信号在时间上与输出电流252和输出电压254对准时,电压纹波250被减小。输入电流256和输入电压信号的乘积可大约等于转换损失(例如,来自升压转换器和降压转换器)同输出电流252和输出电压254信号的乘积的总和。在一些实施方案中,工艺控制电路控制通过升压和降压转换器进行转换以细调脉冲波形的形状来进一步减小电压纹波。例如,相比图表249的实施方案,图表264的实施方案的总线电流256增加和减小更快。此外,工艺控制电路可控制由升压转换器提供的总线电流256,以更紧密地匹配通过降压转换器引出的焊接输出252的电流,如图表264中所示。
[0077]图13示出可用在上述类型的耦接于焊接电源的挂件中或远程送丝机中的示例性电流管理系统。通常由附注标号268表示的电流管理系统被设计成经由电力电缆24耦接于焊接电源12。因为焊接电源12可以经常是通着的(即,有电力的并对电缆24提供输出电力),所以电流管理系统268可服务于多种功能,如限制到远程部件内的能量储存装置的涌入电流,和/或当将部件耦接于通着的焊接电源时延迟对能量储存装置施加电流以避免在端子连接点处产生电弧。在所示的实施方案中,电流管理系统268包括耦接于部件内的本地电源272的至少一个能量储存装置270。本地电源可用于为诸如用户接口、显示器等的各种附件274提供电力。能量储存装置270可包括一种或多种类型的装置,如电容器、电池、这些的组合,或任何其它合适的能量储存装置。还提供了充电/放电控制电路276,用于调控对能量储存装置270施加电流和用于调控来自能量储存装置的电力流。这些装置可如所示的那样被耦接在总线型电路布置中,焊接电力提供给与此电路并联的焊接炬。此外,可以将电流和电压传感器并入到电路当中,用于特别是在将挂件或送丝机初始连接到电源期间以及也在操作期间调控某些部件的操作。
[0078]如下面参考图14和15更完整地描述的那样,电流管理系统268用来通过充电/放电控制电路的操作来限制进入能量储存装置的电流。特别是,在使用期间,该电路可确保焊接电力输出不使本地电源272 “挨饿”,如在起弧期间(例如,在TIG操作中的提升起弧)。此外,可经由该电路使电流引出足够低,以防止当将挂件或送丝机连接于通着的焊接电源时产生电弧。因此进一步地,来自能量储存装置的能量可用于在开路电压的损失(即,“穿越(ride-through),,)期间保持对附件274供电。
[0079]图14示出如可适合限制到远程部件(如焊接挂件)的涌入电流的示例性充电/放电控制电路276。能量储存装置270在这里示为系列电容器。通过电阻器280和开关282限定充电路径278。在所示的实施方案中,电阻器280电阻相对较低,如100欧姆,尽管可以使用任意合适的电阻,并且开关282包括MOSFET,尽管可以使用任意合适的开关。在将部件连接到通着的电源时,电阻器280最初将限制电流流向电容器。在齐纳二极管286 (或别的装置,如模拟齐纳二极管的各方面的电路和误差放大器相组合)的控制下通过电阻器280并通过开关282限制到电容器的电流。通过选择个别电气部件以防止当将挂件连接于开路电流电压时产生电弧,由此可使这种电流足够低。提供的二极管284用于保护目的。通过二极管286 (或如上面提到的其它装置)和电阻器288来提供限制电流效果,这两者共同作用以通过调制开关282的导通状态来限制电流。例如在电流电路设计中,电流不得超过大约0.5安培。也就是说,开关282允许对电容器充电,并且将此开关保持于导通状态,但通过部件286和288的相互作用而被节流回返到受限制的电流。
[0080]此外,提供附加二极管290 (其也可以为模拟二极管的各方面的电路与误差放大器相组合)和附加电阻器292,这两者共同作用以限制电压。也就是说,如在所示图中耦接的这些部件用来减少开关282的偏压,以有效地限制装置的电压。因此,可以使用相对低电压的电容器。
[0081]在操作中,当部件最初耦接于通着的电源时,所述电路有效地限制电流的涌入,在这种情况下,任何火花限于大约0.5安培。然后使存储装置(在这种情况下为系列电容器)充电。此后,通过在焊接电力通过二极管损失期间给本地电源272供电的电容器提供“穿越”能力。应当注意的是,图14中所示的电路(并且实际上是下面描述的图13和图15的电路)旨在为除了在无论是挂件还是送丝机的远程部件中提供的任何其它电路之外的电路。也就是说,这些部件仍可包括上述类型的各种感测、处理、控制、送丝及其它电路。
[0082]图15示出可用于远程装置中的电流和/或电力管理的另一示例性电路,在这种情况下特别良好地适于上述类型的送丝机。该电路还包括本地电源272以及存储装置270 (在这种情况下为多个电容器)。延迟施加电流到电容器里,直到其它电容器296通过电阻器298被充电到固态开关294的栅极阈值。于是这种延迟防止或降低了当最初将部件耦接于通着的焊接电源时产生电弧的可能性。此外,通过第二固态开关300和二极管302的相互作用有效地限制了跨越电容器的电压。也就是说,当二极管302变到导通状态时,开关300的栅极被供电,使开关294处于非导通状态。从电容器出来的电流通过开关294的包的内部二极管。
[0083]可以很容易地设想对图15的电路的各种改进,例如,可以在开关294与电容器296之间设置比较器以提供其中有效地避免了开关294的线性模式的“搭锁(snap-on) ”操作。所述电路因此提供了双向低阻抗能量存储装置,其有效地减少或避免了在最初连接之时产生电弧,同时在操作期间提供所需的本地供电能力和穿越能力。
[0084]虽然本文仅例示和描述了本发明的某些特征,但本领域技术人员可设想许多修改和变动。因此要理解的是,所附的权利要求书旨在涵盖属于本发明实质范围内的所有此类修改和变动。
【权利要求】
1.一种焊接送丝机,包括: 焊接送丝驱动装置,其配置成对焊接应用驱动焊丝; 送丝控制电路,其耦接于所述焊接送丝驱动装置并配置成控制对所述焊接应用驱动焊丝; 升压转换器,其配置成接收输入电力并将所述输入电力转换为施加于内部总线的总线电力; 降压转换器,其耦接于所述内部总线并配置成将所述总线电力转换为适合焊接应用的焊接输出;输入电压和电流传感器,其配置成分别测量所述输入电力的输入电压和输入电流;输出电压和电流传感器,其配置成分别测量所述焊接输出的输出电压和输出电流;和控制电路,其耦接于所述升压转换器、耦接于所述降压转换器、耦接于所述输入电压和电流传感器并耦接于所述输出电压和电流传感器,其中所述控制电路被配置成基于所述输入电压、所述输入电流、所述输出电压或所述输出电流中的至少一项来驱动所述升压转换器以减小所述内部总线上的电压纹波。
2.根据权利要求1所述的焊接送丝机,其中所述控制电路被配置成确定所述输出电流和输出电压的乘积、确定所述乘积和转换损失的总和、将所述总和除以所述输入电压以确定所需的输入电流,并驱动所述升压转换器以控制所述输入电流。
3.根据权利要求1所述的焊接送丝机,所述控制电路被配置成控制所述降压转换器以产生适合受控波形焊接工艺的焊接输出,且其中至少在受控波形焊接过程期间所述控制电路驱动所述升压转换器以减小所述内部总线上的电压纹波。
4.根据权利要求3所述的焊接送丝机,其中所述受控波形焊接工艺包括脉冲焊接工艺。
5.根据权利要求4所述的焊接送丝机,其中所述控制电路被配置成对所述升压转换器和对所述降压转换器调节命令信号的相对定时,以减小所述内部总线上的电压纹波。
6.根据权利要求5所述的焊接送丝机,其中所述控制电路被配置成在第一时间控制所述升压转换器以将所述总线电力施加于所述内部总线,所述控制电路被配置成在第二时间控制所述降压转换器以从所述内部总线中引出所述总线电力,并且所述第一时间大约为所述第二时间。
7.根据权利要求1所述的焊接送丝机,包括配置成分别测量所述总线电力的总线电压和总线电流的总线电压和电流传感器,并且所述控制电路被配置成基于所述总线电流或总线电压来驱动所述升压转换器以减小所述内部总线上的电压纹波。
8.一种焊接送丝机,包括: 焊接送丝驱动装置,其配置成对焊接应用驱动焊丝; 送丝控制电路,其耦接于所述焊接送丝驱动装置并配置成控制对所述焊接应用驱动焊丝; 升压转换器,其配置成接收输入电力并将所述输入电力转换为施加于内部总线的总线电力; 降压转换器,其耦接于所述内部总线,配置成自所述内部总线引出所述总线电力,并配置成将所述总线电力转换为适合焊接应用的焊接输出;总线电压和电流传感器,其配置成分别测量所述总线电力的总线电压和总线电流;和控制电路,其耦接于所述升压和降压转换器并耦接于所述总线电压和电流传感器,并且配置成通过如下方式减小所述内部总线上的电压纹波,即至少部分地基于所述总线电流或电压来驱动所述升压转换器或降压转换器以调节在对所述内部总线施加所述总线电力与自所述内部总线引出所述总线电力之间的相对时间差。
9.根据权利要求8所述的焊接送丝机,其中所述控制电路被配置成在脉冲焊接过程期间调节所述相对时间差。
10.根据权利要求8所述的焊接送丝机,其中所述控制电路被配置成在受控波形焊接过程期间调节所述相对时间差。
11.根据权利要求8所述的焊接送丝机,包括输出电压和电流传感器,其配置成分别测量所述焊接输出的输出电压和输出电流。
12.根据权利要求11所述的焊接送丝机,其中所述控制电路被配置成至少部分地基于所述总线电压、所述输出电压与所述输出电流之间的关系来调节所述相对时间差。
13.根据权利要求11所述的焊接送丝机,其中所述控制电路被配置成确定所述输出电流和输出电压的乘积,确定所述乘积和转换损失的总和,将所述总和除以所述总线电压以确定所需的总线电流,并驱动所述升压转换器以将所述总线电流控制成趋向所需的总线电流。
14.一种操作焊接送丝机的方法,包括: 接收来自电源的输入电力信号; 用升压转换器在第一时间将所述输入电力信号转换为内部总线上的总线电力信号; 检测所述内部总线上的所述总线电力信号的总线电压和总线电流; 用降压转换器在第二时间将所述总线电力信号转换为焊接输出信号,其中所述焊接输出信号适合受控波形焊接工艺; 检测所述焊接输出的输出电压和输出电流;并 至少部分地基于检测到的总线和输出电流或电压来减小所述内部总线上的电压纹波。
15.根据权利要求14所述的方法,包括: 确定所述输出电流和电压的乘积; 确定所述乘积和转换损失的总和; 将所述总和除以所述总线电压以确定所需的总线电流;并 至少部分地基于所需的总线电流来控制所述升压转换器。
16.根据权利要求14所述的方法,其中减小所述内部总线上的电压纹波包括动态地控制所述升压转换器和所述降压转换器,以使所述总线电力信号和所述焊接输出信号基本上对准。
17.根据权利要求16所述的方法,包括在所述第一时间延迟将所述输入电力信号转换为所述总线电力信号。
18.根据权利要求16所述的方法,包括在所述第二时间延迟将所述总线电力信号转换为所述焊接输出信号。
19.根据权利要求14所述的方法,其中所述焊接送丝机远离所述电源。
20.根据权利要求14所述的方法,其中所述焊接输出信号包括适于脉冲焊接工艺或短 路焊接工艺的受控波形焊接输出。
【文档编号】B23K9/12GK104334307SQ201380029967
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年6月5日 优先权日:2012年6月8日
【发明者】安东尼·范·卑尔根·萨尔辛施, 爱德华·G.·贝斯特尔 申请人:伊利诺斯工具制品有限公司
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