在焊接操作中控制热量输入的方法和系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 优先权：本申请要求美国临时专利申请No. 61/723, 522和美国专利申请 13/797, 108的优先权，所述美国临时专利申请No. 61/723, 522和美国专利申请13/797, 108 的全部内容通过引用被并入本文。
技术领域
[0002] 本发明涉及用于焊接的系统和方法。更具体地，本主题的发明涉及控制焊接时的 热量输入的系统和方法。再更具体地，本发明涉及焊接电源供应器、电弧焊接系统以及控制 电弧焊接系统的方法。
【背景技术】
[0003] 当进行电弧焊接时，控制焊接期间的热量输入是合乎期望的。焊接电弧产生非常 高的量的热量，该热量可以显著地增加焊接区周围的工件的温度。在焊接区之外，这种温度 上的增加可能是不利的，因为它可以不利地影响工件的材料性能以及引起扭曲等等。对于 控制工件的温度的努力包括将外部冷却施加到工件或者改变焊接工艺。然而，这些方法可 能是复杂的并且提供有限的结果。
[0004] 通过将常规的、传统的以及已提出的手段与如在本申请的其余部分中参照附图所 阐述的本发明的实施方案相比，对本领域技术人员来说这样的手段的进一步的局限性和缺 点将会变得明显。
【发明内容】
[0005] 本发明的实施方案包括用于电弧焊接的系统和方法，其中期望的热量输入通过调 整焊接波形的电极负部分的各种参数以及焊接工艺的其他方面被保持。在一些示例性实施 方案中，只有焊接波形的电极负部分被调整来得到波形平衡，所述波形平衡保持期望的电 弧长度和/或电压，而同时最小化到焊缝中的热量输入并且保持电弧稳定。
[0006] 在示例性实施方案中，系统包括电弧焊接电源供应器，所述电弧焊接电源供应器 被配置来将焊接波形输出到焊炬。所述焊接电源供应器包括产生输出焊接波形的波形发生 器。所述电源供应器还包括控制器，所述控制器基于期望的RMS电压设定点和期望的RMS 电压范围中的一个来最优化所述输出焊接波形。所述最优化通过调整功率比和持续时间比 中的至少一个被执行。所述功率比是所述焊接波形的负部分的功率与所述焊接波形的正部 分的功率的比，并且所述持续时间比是所述焊接波形的负部分的持续时间与所述焊接波形 的正部分的持续时间的比。
[0007] 在另一个示例性实施方案中，控制电弧焊接系统的方法包括提供焊炬、产生焊接 波形以及将所述焊接波形传输到所述焊炬。所述方法进一步包括基于期望的RMS电压设定 点和期望的RMS电压范围中的一个来最优化所述焊接波形。所述最优化通过调整功率比和 持续时间比中的至少一个被执行。所述功率比是所述焊接波形的负部分的功率与所述焊接 波形的正部分的功率的比，并且所述持续时间比是所述焊接波形的负部分的持续时间与所 述焊接波形的正部分的持续时间的比。
[0008] 从如下的说明书、权利要求书和附图，所要求保护的本发明的这些和其他特点以 及图示说明的本发明的实施方案的细节被描述并且将会被更加完整地理解。
[0009] 附图简要说明
[0010] 通过参照附图详细描述本发明的示例性实施方案，本发明的上述和/或其他方面 将会更加明显，在所述附图中：
[0011] 图1是根据本发明的示例性实施方案的焊接系统的图示表征；
[0012] 图2是用于本发明的实施方案的焊接波形的图示表征；
[0013] 图3是用于本发明的实施方案的另一个焊接波形的图示表征；
[0014] 图4是用于本发明的实施方案的进一步的焊接波形的图示表征；以及
[0015] 图5A和图5B是可以用于本发明的实施方案的控制方法的绘图表征。
[0016] 详细描沐
[0017] 现在将在下面通过参照所附的附图描述本发明的示例性实施方案。所描述的示例 性实施方案意图帮助理解本发明，而不意图以任何方式限制本发明的范围。相似的参考编 号在通篇中涉及相似的要素。
[0018] 图1是根据本发明的示例性实施方案的焊接系统100的图示说明性实施方案。焊 接系统包括焊接电源供应器110,所述焊接电源供应器Iio通过焊条（elect r〇de)E将焊接 波形递送到焊炬130和工件W以产生焊接电弧A。焊条E经由焊丝送进器150递送以进行 焊接操作。焊丝送进器150可以是这样的任何已知的构造，即它能够将焊条E递送到焊缝， 并且，在一些实施方案中，焊丝送进器150可以基于来自电源供应器110的信号来调整焊条 E的焊丝送进速度一一这将在下面被更详细地讨论。
[0019] 电源供应器110的一般构造可以类似于能够进行GMAW/MIG型焊接操作的已知的 电源供应器的一般构造，只要电源供应器110能够如本文所描述的运行和操作。例如，电 源供应器110可以被构造为类似于由俄亥俄州克利夫兰市的林肯电气公司制造的Power Wave?型电源供应器的一般构造。当然，本发明的实施方案不限于这样的构造，并且这仅意 图是示例性的。
[0020] 如图1所示，电源供应器110能够通过L1、L2和L3接收输入信号。图1描绘三相 输入，但其他实施方案可以仅利用单相输入。电源供应器110包括功率转换单元112,所述 功率转换单元112能够接收输入信号并且将一信号输出到输出相（例如输出逆变器114)， 以使电源供应器110的输出能够维持焊接电弧。功率转换单元112可以由许多不同的部件 构成。例如，它可以由整流电路和升降压电路构成，所述升降压电路接收被整流的信号并且 将恒定电压输出到输出逆变器114。当然，在其他示例性实施方案中，输出逆变器114可以 是斩波器，或者能够与功率转换单元112 -起工作来输出焊接信号的任何其他类型的输出 电路。电源供应器110还包括波形发生器116,所述波形发生器116是这样的电路，所述电 路帮助控制功率转换单元112和输出逆变器114中的至少一个或二者的输出来提供期望的 焊接波形以被用来产生电弧A。例如，波形发生器116,其与功率转换电路112和输出逆变 器114(或者无论何种输出部件被利用）中的一个或二者耦合，可以被用来产生期望的电流 波形，所述期望的电流波形在焊接期间被用来创建并且保持电弧A。此外，电源供应器具有 控制器118,所述控制器118可以是能够控制电源供应器110的功能和操作的任何类型的 CPU或处理器型装置。这样的控制器一般地是已知的。在示例性实施方案中，控制器接收 来自电流反馈电路120和电压反馈电路122的反馈，所述电流反馈电路120和电压反馈电 路122在焊接操作期间（分别）提供来自焊接电弧A的电流和电压反馈。利用该反馈，控 制器118能够调整并且最优化电源供应器110的性能以提供期望的输出。这将在下面被进 一步讨论。
[0021] 如图1所示，在一些实施方案中，控制器118还被耦合到焊丝送进器150，所述焊丝 送进器150在焊接操作期间允许控制器接收来自焊丝送进器150的反馈以及控制焊丝送进 器150的操作，例如焊丝送进速度。这也在下面被讨论。
[0022] 图2描绘可以用于本发明的实施方案的示例性电流波形200。一般而言，所描绘的 波形200是通用的脉冲波形，所述脉冲波形意图是可以在焊接操作（特别是GMAW/MIG型操 作）中使用的许多不同类型的焊接电流波形中具有代表性的，并且本发明的实施方案不限 于使用如图2或本文讨论的任何附图所描绘的电流波形。如所示出的，波形200在每个循 环（cycle)C中具有电极正（EP)部分210和电极负（EN)部分208二者。波形200的EP部 分210在波形中是这样的时间，其中焊条E具有正极性（电流从焊条E流到工件W中），而 在EN部分208期间，焊条E具有负极性，以使电流从工件W流到焊条E中。
[0023] 每个EP部分210包括脉冲202,所述脉冲202具有峰值电流201以及在峰值201 后面的本底电流水平203,其中本底电流水平小于峰值201电流水平。在本底部分203和 接下来的下一循环C的峰值201之间的是EN部分208。在示例性实施方案中，EN部分208 包括EN斜坡上升（ramp-up)部分205、EN峰值部分207和EN斜坡下降（ramp down)部分 209。EN部分208具有总持续时间tEN和峰值持续时间t PEAKEN。
[0024] 因为波形200的EP和EN部分中的每个具有电流和电压分量（电压未被不出），每 个部分210和208提供功率。因此，每个循环C具有负的功率比（等于EN功率/EP功率）， 其中EN功率是由EN部分208输入的总功率，并且EP功率是由EP部分210输入的总功率 量。
[0025] 在焊接期间，循环C的EN部分208相比EP部分210提供较少的到焊接熔池中的 热量输入。然而，EN部分208在焊接期间比EP部分210提供对推进的焊条E的更有效的 熔化。本发明的各种实施方案采用循环C的各自的部分的这些属性来控制和最优化到焊缝 中的热量输入，而同时保持稳定的电弧长度。这将在下面被