两级脉冲斜升的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请是于2018年10月30日提交的美国临时专利申请序列号62/752,421的非临时专利申请，并要求其优先权。上述申请的全部内容通过援引并入本文。

总体上，本发明涉及使用气体保护金属电弧焊(gmaw)工艺的焊接，并且具体地涉及用于稳定转移到焊接熔池的液滴的技术。

背景技术：

在电弧焊接中，流行的工艺是脉冲焊接。例如，气体保护金属电弧焊(如金属惰性气体(mig)焊接)利用间隔的脉冲来首先熔化推进的焊丝电极的端部，然后通过电弧将熔融金属从焊丝的端部推到工件上。在理想的条件下，在脉冲焊接工艺的每个脉冲期间转移液滴(例如熔融金属的小滴)。传统地，脉冲焊接工艺利用相对高的电压，并且因此，电极的端部与工件之间的间隙将会相对大。虽然这限制了短路的发生率和由此引起的飞溅或稳定性，但是这也限制了行进速度。

以短电弧长度操作焊接工艺(例如脉冲焊接)是有益的。例如，较短的电弧长度促进较低的热量输入、较低的输出电压、以及较高的行进速度。此外，以短电弧长度进行脉冲焊接通常允许较小的液滴形成并且提高焊接质量。在较短的电弧长度的情况下，预期的是产生短路，但可以采用各种清除响应来在最小飞溅的情况下消除短接。

技术实现要素：

下面的概述呈现了简化的概述，以提供对本文所讨论的装置、系统和/或方法的一些方面的基本理解。本概述不是对本文所讨论的装置、系统和/或方法的广泛综述。并不旨在指出关键的元件或划定这类装置、系统和/或方法的范围。唯一的目的是以简化的形式呈现一些概念，作为稍后呈现的更详细说明的序言。

在多个不同的实施例中，在焊接工艺期间采用的多级脉冲斜升。在一个实例中，在第一级期间，施加相对较慢增大的焊接输出以稳定液滴。在第二级期间，施加相对较快增大的焊接输出。在两级斜升中，焊接输出在第二级期间增大最高达峰值脉冲输出，以便转移经稳定的液滴。如果实施多于两个级，则每个后一级可以比之前级在焊接输出方面具有相对较大的变化(例如增大的斜率)。

根据一个方面，提供一种系统，所述系统包括焊接电源，所述焊接电源向推进的焊丝电极提供焊接输出，以在电极与工件之间产生电弧。所述系统进一步包括波形发生器，所述波形发生器被配置用于向所述焊接电源提供焊接波形，所述焊接电源根据所述焊接波形来调制所述焊接输出。此外，所述系统包括控制器。所述控制器被配置成用于修改所述焊接波形，以在第一级期间将所述焊接输出从基值水平增大至第一目标；并且在第二级期间将所述焊接输出从所述第一目标增大至第二目标。

根据另一个方面，提供了一种用于根据焊接波形产生焊接输出的方法。所述方法包括：向电极输出处于基值水平的焊接电流；在预定时间根据所述焊接波形输出多级脉冲。输出所述多级脉冲至少包括：将所述焊接电流从所述基值水平增大至第一目标；并且将所述焊接电流从所述第一目标增大至第二目标。

根据又一个方面，提供了一种焊接装置。所述焊接装置包括：波形发生器，所述波形发生器被配置成输出用于焊接工艺的焊接波形。所述焊接装置还包括电源，所述电源被配置用于向电极提供焊接功率输出，所述电源基于来自所述波形发生器的焊接波形来调制所述焊接功率输出。此外，所述焊接装置包括：至少一个反馈电路，所述至少一个反馈电路被配置用于测量所述焊接功率输出的至少一个特征并且产生对应的反馈信号；以及控制器，所述控制器被配置用于：至少部分地基于来自所述至少一个反馈电路的所述反馈信号来调节所述波形发生器或所述电源中的至少一者的操作。所述焊接波形是脉冲焊接波形，所述脉冲焊接波形具有至峰值输出的多级斜升。

当根据附图、具体实施方式和所附权利要求书来进行查看时，本发明的这些方面和其他方面将是显而易见的。

附图说明

本发明可以在某些零件和零件安排方面采取实体形式，其优选实施例将在说明书中进行详细描述并且在形成本说明书的一部分的附图中进行展示，并且在附图中：

图1是根据一个或多个方面、实施两级脉冲斜升的焊接系统的示例性非限制性实施例的示意性框图；

图2是根据一个或多个方面的示例性非限制性焊接波形的曲线图；

图3是根据一个或多个方面的示例性非限制性焊接波形的曲线图；

图4是根据一个或多个方面的示例性非限制性焊接波形的曲线图；

图5是根据一个或多个方面、描绘了两级脉冲斜升的示例性非限制性焊接波形的曲线图；并且

图6是根据一个或多个方面、在焊接工艺期间的两级脉冲斜升的示例性非限制性实施例的流程图。

具体实施方式

本发明的实施例涉及用于在焊接工艺期间提供多级脉冲斜升的系统和方法。特别地，在脉冲模式焊接工艺期间，焊接装置输出峰值电流的脉冲。在峰值电流的这个脉冲期间，已经在可消耗电极(例如，焊丝)上形成的熔融金属的液滴转移到焊接熔池。即，液滴从电极上分离并且穿过电弧行进到工件上的焊接熔池。脉冲典型地包括迅速施加的相对高的电流(例如电流从较低水平迅速增大至峰值水平)。快速施加的高电流可能引起飞溅或液滴的不完全转移。为了防止这种情况发生，电流可以分级地斜升至峰值电流。在每一级中，电流以各自的速率增大至各自的目标。这些级可以一个接一个地进行，使得给定级的增大速率大于之前级的增大速率。前一级的目标输出成为后一级的起始输出。此类级可以链在一起以形成从低水平(例如基值电流)到脉冲的峰值电流的过渡。

在具有两级的实例中，在第一级中，电流从基值电流缓慢斜升至刚好低于过渡电流的目标电流。在第二级中，电流更快地增大至峰值电流。第一级允许使液滴稳定、之后在第二级期间或之后进行转移。

现在将参照附图描述多个不同的实施例，其中相似的附图标记贯穿全文用来指代相似的元件。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，可能明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本文所描述的特征。此外，其他实施例是可能的，并且本文描述的特征能够以除如所描述的方式之外的方式来实践和实施。本文所使用的术语和短语是出于促进对本发明的理解的目的使用的，并且不应该被认为是限制性的。

首先转到图1，展示的是示例性非限制性焊接系统100的示意性框图，所述焊接系统被配置用于在焊接工艺期间执行两级脉冲斜升。焊接系统100操作性地联接至可消耗焊接电极e和工件w，以执行焊接工艺。焊接系统100包括能够将输入功率112(所述输入功率可以是三相输入)转换成焊接输出功率的电源110。例如，电源可以是逆变器型功率转换器或斩波器型功率转换器。焊接系统100进一步包括焊丝给送器160，所述焊丝给送器能够将焊丝例如给送穿过焊枪(未示出)，所述焊枪将焊丝(例如，电极e)连接至焊接输出功率。

系统100还可以包括分流器152(或相似装置)，所述分流器操作性地连接在电源110与电极e之间。分流器152为电流反馈电路150提供焊接输出电流，以测量由电源110产生的焊接输出电流。系统100进一步包括电压反馈电路，所述电压反馈电路用于感测电源110所输出的焊接电压。

焊接系统100包括控制器130，所述控制器操作性地连接至电压反馈电路140和电流反馈电路150。控制器130可以接收表示焊接输出的信号形式的感测电流和感测电压。如图1所示，系统100还可以包括联接至控制器130的波形发生器120。波形发生器120向电源110输出焊接波形信号。电源110通过基于来自波形发生器120的焊接波形信号将输入功率112转换成焊接输出功率来产生调制焊接输出(例如电压和电流)。波形发生器120接收来自控制器130的命令信号并且基于命令信号实时适配焊接波形信号。根据实施例，控制器可以包括逻辑电路系统、可编程微处理器、以及计算机存储器。

根据一个方面，控制器130可以使用来自电压反馈电路140的电压信号、来自电流反馈电路150的电流信号、或两个信号的组合来确定在焊接工艺期间电极e与工件w之间何时发生短路、何时将要清除短接、并且短接何时实际上清除。在美国专利号7,304,269中描述了短接何时发生以及短接何时清除的示例性技术，所述专利通过引用以其全文结合在此。控制器可以响应于检测短路来修改来自波形发生器120的焊接波形信号。根据一个方面，可以输出局部波形信号，该局部波形信号在输入到电源110之前添加至焊接波形信号或与其组合。因此，电源110根据短接响应和焊接波形信号调制焊接输出。

应当理解的是，焊接系统100可以利用所测量的焊接工艺的参数来调节由波形发生器120发生的焊接波形的一部分。例如，所测量的参数可以是在焊接工艺期间焊接参数随时间的导数，例如但不限于：电流读数的导数、电压读数的导数、电阻读数的导数、功率的导数等。此外，可以实时检测焊接参数的导数。焊接参数的导数可以是针对焊接工艺、波形、波形的一部分、其组合等的改变的触发器。

根据一个方面，波形发生器120可以输出包括脉冲的多级斜升的经修改的波形。控制器130可以选择性地命令波形发生器120利用标准脉冲形状或利用多级斜升。此外，控制器130可以以定义多级斜升输出的参数配置波形发生器120。这些参数可以包括将每个级分隔开的一个或多个过渡电流水平以及分别与每个级相关联的一个或多个变化速率。通过举例的方式，两级斜升输出可以由与第一级相关联的第一目标水平和第一变化速率以及与第二级相关联的第二目标水平和第二变化速率限定。

可以基于焊丝尺寸和/或材料确定级的数量以及用于每个级的相应参数。在一个实例中，可以向控制器130输入焊丝尺寸和类型，该控制器利用具有预先确定的值的查询表或其他数据结构来基于焊丝尺寸和类型选择斜升参数。在另一个方面中，可以基于波形的施加(即高行进速度、在不适当的位置等)、所使用的保护气体、或其他因素确定参数(例如变化速率)。在另一个实例中，控制器130可以接收来自提供指示液滴状况的信息的其他源的输入。基于那个输入，控制器130可以调节斜升参数，以提高性能。

一旦被配置成用于多级操作，电源110就基于波形发生器120输出调制焊接输出。例如，对于两级斜升，电源110将焊接输出以第一变化速率增大至第一目标电流。在达到第一目标电流时，电源110过渡到将焊接输出以第二变化速率增大至第二目标水平。然后，电源110可以使焊接输出减回到基值水平。

转到图2至图4，描绘了没有多级脉冲斜升的示例性波形。在图2中，展示了用于脉冲焊接工艺的理想焊接波形200。如所示出的，波形包括由基值电流部分204分隔开的间隔峰值电流脉冲202。在尾拖(tailout)部分(即在峰值202与基值电流部分204之间)期间，减小的电流使等离子体力在转移液滴时松弛。对于固定频率焊接工艺，脉冲之间的时间周期206可以是恒定的。

在图3中，示例性焊接波形300展示了被设计成用于极短电弧长度的高速脉冲模式。波形300还包括用来减小飞溅的短路响应，这是因为短电弧长度可能使短路的可能性增大。如图3所示，波形300包括脉冲302，该脉冲包括从基值水平到峰值电流水平的脉冲斜升。在峰值脉冲之后，波形300减小电流以使等离子体力松弛。在304处，短接可能因为液滴接触焊接熔池并且电弧湮灭而发生。等离子体调升部分306用来清除短接。等离子体调升306将焊接熔池推离电极，以产生分离并且产生熔池稳定的规律性变化。在等离子体调升之后，波形300回到基值水平308。

图4描绘了波形400，该波形与波形300类似利用高速脉冲模式的表面张力转移的方面。波形400包括脉冲部分402，该脉冲部分具有至峰值电流的斜升，随后是尾拖。当发生短路时，触发响应部分404，并且电流维持在低水平以允许清除短路。当液滴分离时，由于低电流使得飞溅减小。在短接清除之后，施加等离子体调升406，之后回到基值水平408。

转到图5，展示了局部波形500，该局部波形描绘了根据多个不同的方面的多级脉冲斜升。在图5所示的实例中，波形500包括两级斜升。应当理解的是斜升可以包括多余两个斜升。多级斜升可以与图2至图4中描绘的波形或包括脉冲的任何其他波形一起利用。

在图5的实例中，第一级502包含从基值水平506到第一目标508的过渡。在第一级502期间的过渡具有第一变化速率，该第一变化速率指定多快增大到第一目标502。如在本文中所使用的，第一变化速率可以是平均变化速率或者可以被认为是时间窗口，在该时间窗口结束时实现目标电流。换言之，在第一级502期间的实际斜升可以是非线性的。在达到第一目标508时，波形500过渡至第二级504，该第二级涉及将焊接输出进一步增大直到第二目标510。在一个方面中，第二目标510可以与峰值电流相对应。第二级504期间从第一目标508到第二目标510的过渡根据第二变化速率发生。

根据一个方面，第二变化速率可以大于第一变化速率。在第一级502期间的较慢的变化允许稳定液滴，之后在第二级504期间施加峰值电流。因此，液滴的转移提高并且飞溅减小。

现在转到图6，结合展示的流程图描述了一种与多级脉冲斜升有关的方法。所描述的方法可以执行由控制器、微处理器、fpga、或逻辑电路(例如控制器130)执行，以在焊接工艺期间由焊接系统(例如，系统100)执行多级脉冲斜升。

图6展示了用于在焊接工艺期间实施多级脉冲斜升的方法600的流程图。在图6中，描述了两级斜升；然而，应当理解的是，具有对应的目标和变化速率的多个级可以以如所描述的两个级的相似的形式按次序排列在一起。在602，焊接输出根据第一变化速率增大至第一目标。在604，焊接输出斜升向上过渡以根据第二变化速率增大至第二目标。第二变化速率可以大于第一变化速率。在606，焊接输出降低至基值水平。

上述实例详述了具有两个级的多级斜升。应当理解的是，可以利用多于两个级来将焊接输出从基值水平增大至峰值水平。例如，多个级可以实现焊接波形的斜升。多个级可以互连，使得前一级的最终目标是后一级的起始水平。多个级中的每个级可以具有相关联的目标水平和变化速率。级的数量以及级的排序可以被确定成用于提供熔融金属的液滴的稳定形成以及该熔融金属的液滴向焊接熔池的转移。

根据一个实施例，提供了一种系统，所述系统包括焊接电源，所述焊接电源向推进的焊丝电极提供焊接输出，以在所述电极与工件之间产生电弧。所述系统还包括波形发生器，所述波形发生器被配置用于向所述焊接电源提供焊接波形，所述焊接电源根据所述焊接波形来调制所述焊接输出。此外，所述系统包括控制器。所述控制器被配置成用于在第一级期间将所述焊接输出从基值水平增大至第一目标；并且在第二级期间将所述焊接输出从所述第一目标增大至第二目标。

根据此实施例的不同实例，在所述第一级期间根据第一变化速率增大所述焊接输出，并且在所述第二级期间根据第二变化速率增大所述焊接输出。所述第二变化速率大于所述第一变化速率。基于所述波形的施加或保护气体中的至少一者来确定所述第二变化速率和所述第一变化速率。所述波形的施加与行进速度或位置有关。所述第二目标是峰值电流。基于所述电极的尺寸或所述电极的材料确定所述第一目标。

根据另一个实施例，提供了一种方法。所述方法包括：向电极输出处于基值水平的焊接电流；在预定时间根据所述焊接波形输出多级脉冲。输出所述多级脉冲至少包括：将所述焊接电流从所述基值水平增大至第一目标；并且将所述焊接电流从所述第一目标增大至第二目标。

根据多个不同实例，将所述焊接电流从所述基值水平增大至所述第一目标包括以第一变化速率增大所述焊接电流，并且将所述焊接电流从所述第一目标增大至所述第二目标包括以第二变化速率增大所述焊接电流。所述第二变化速率大于所述第一变化速率。所述方法还可以包括：识别采用所述焊接波形的焊接工艺的至少一个特征或用于所述焊接工艺的保护气体。进一步，所述方法包括：基于所识别的特征或保护气体确定所述第一变化速率或所述第二变化速率中的至少一者。所述焊接工艺的特征是行进速度或焊接位置中的至少一者。在另一个实例中，所述方法包括：识别所述电极的尺寸或所述电极的材料中的至少一者。在此实例中，所述方法还可以包括：基于所述电极的尺寸或材料确定所述第一目标。所述第二目标是所述焊接波形的峰值电流。

在又一个实施例中，提供了一种焊接装置。所述焊接装置包括：波形发生器，所述波形发生器被配置成输出用于焊接工艺的焊接波形。所述焊接装置还包括电源，所述电源被配置用于向电极提供焊接功率输出。所述电源基于来自所述波形发生器的焊接波形来调制所述焊接功率输出。所述焊接装置包括：至少一个反馈电路，所述至少一个反馈电路被配置用于测量所述焊接功率输出的至少一个特征并且产生对应的反馈信号，以及控制器，所述控制器被配置用于：至少部分地基于来自所述至少一个反馈电路的所述反馈信号来调节所述波形发生器或所述电源中的至少一者的操作。所述焊接波形是脉冲焊接波形，所述脉冲焊接波形具有至峰值输出的多级斜升。

在实例中，所述焊接波形的多级斜升包括具有对应变化速率的多个互连的波形区段。所述焊接波形的多级斜升包括第一级，所述第一级以第一变化速率提供从基值水平到第一目标输出的过渡。所述焊接波形的多级斜升包括第二级，所述第二级以第二变化速率提供从所述第一目标输出到所述峰值输出的过渡。所述第二变化速率大于所述第一变化速率。

以上实例仅仅是说明本发明的各个方面的若干个可能的实施例，其中，本领域技术人员在阅读并理解本说明书和附图时将想到等效的变更和/或修改。特别地，关于由以上描述的部件(组件、装置、系统、电路等)执行的各种功能，除非以其他方式指出，用来描述这样的部件的术语(包括引用“器件(means)”)旨在与执行被描述部件(例如，功能上是等效的部件)的具体功能的任何部件(如硬件、软件或其组合)相对应，即使结构上不等效于执行本发明所展示的实现方式中的功能的披露结构也是如此。此外，尽管可能已经根据若干实施方式中的仅一个实施方式披露了本发明的某个特定特征，但此类特征可以如所希望地和针对任何给定的或特定应用而言有利地与其他实施方式的一个或多个其他特征相组合。另外，就详细描述和/或权利要求使用术语“包含(including)”、“包含(includes)”、“具有(having)”、“具有(has)”、“带有(with)”或其变体而言，此类术语以类似于术语“包括(comprising)”的方式旨在是包容性的。

本书面说明使用了实例来披露本发明，包括最佳模式，并且也使本领域普通技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明的可取得专利权的范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其他实例。如果这种其他示例具有与权利要求中的字面语言没有不同的结构元件，或者如果包括与权利要求中的字面语言无实质不同的等效结构元件，则它们预期在权利要求的范围内。

当时出于展示申请人已知的最佳模式的目的已经描述了实施本发明的最佳模式。如通过权利要求的范围和价值精神所衡量的，实例仅仅是说明性的而不意味着要限制本发明。已经参照优选和替代的实施例描述了本发明。显然，基于对本说明书的阅读和理解，其他人将想到多个修改和变更。旨在包括落在所附权利要求或其等效物范围内的所有此类修改和变更。