用于以ac波形焊接的设备和方法
【专利说明】用于以AC波形焊接的设备和方法发明领域
[0001]本发明涉及根据权利要求1的焊接设备以及涉及根据权利要求8的焊接方法。与本发明一致的装置、系统和方法涉及焊接，并且更具体地涉及用于焊接和清除短路的装置、系统和方法。
[0002]本发明一般地涉及在美国专利N0.6，215，100和N0.7，304，269中的每篇所描述的一般类型的焊接系统中在飞溅和热量输入方面的改善，所述美国专利N0.6，215，100和N0.7，304, 269整个公开的全部内容通过引用被并入本文。
技术背景
[0003]在电弧焊接中，一般已知的是，在焊接操作期间，以电极负状态焊接可以导致较低的总热量输入。例如，一般已知的是，GMAW型焊接可以利用脉冲波形以电极负状态进行。然而，已经注意到的是，当短路发生在电极负状态并且使用负极性被清除时，电弧不稳定或者飞溅事件可以发生。就是说，例如，在某些脉冲周期期间，特别是在焊条非常靠近工件操作的应用中，熔融金属在从推进的丝焊条被完全释放之前接触工件。这在推进的丝焊条和工件之间创建短路(short circuit)(又称短接(short))。合乎期望的是，快速消除或清除短路来获得与适当的脉冲焊接相关联的一致性。然而，清除短路可以导致生成不合期望的飞溅。这样的飞溅导致焊接工艺的低效率并且可以导致熔融金属飞溅到工件上，所述熔融金属随后可能不得不使用例如磨具来移除。
[0004]通过将这样的途径与如参照附图在本申请其余内容中阐述的本发明的实施方案进行比较，本领域技术人员将清楚常规的、传统的以及已提出的途径的其他限制和缺点。
【发明内容】
[0005]目标是克服本文所提及的限制和缺点。该问题通过根据权利要求1的焊接设备以及通过根据权利要求8的焊接方法被解决。本发明的进一步的实施方案是从属权利要求的主题。本发明的示例性实施方案是具有或使用焊接功率转换器的焊接设备和方法，所述焊接功率转换器输出电流，所述电流是具有多个脉冲和本底部分的DC电极负波形，其中所述脉冲中的每个的峰值电流大于本底部分的最高电流水平。焊接功率转换器将焊接波形提供到焊条和至少一个工件来焊接至少一个工件。同样被包括的是短路检测电路以及AC焊接模块，所述短路检测电路检测焊条和工件之间的短路事件，所述AC焊接模块在检测到短路事件之后将DC电极负波形的电流的极性从负改变为正。在电流改变为正之后，焊接功率转换器输出短路清除电流来清除短路事件，并且在短路事件被清除之后，AC焊接模块将所述电流的极性从正改变为负，并且在没有检测到短路事件的情况下，电流被保持为DC电极负焊接波形。
[0006]附图简要说明
[0007]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:
[0008]图1图示说明在焊接电流回路中包括开关模块的电弧焊接系统的示例性实施方案的框图；
[0009]图2图示说明图1的系统的部分的示例性实施方案的示意图，包括焊接电流回路中的开关申吴块；
[0010]图3图不说明图1和图2的开关t旲块的不例性实施方案的不意图；
[0011]图4图示说明用于使用图1的系统防止电弧焊接工艺中的飞溅的方法的第一示例性实施方案的流程；
[0012]图5图示说明根据图4的方法由未使用图1-3的开关模块的常规电弧焊接机产生的常规脉冲输出电流波形的实施例；
[0013]图6图示说明在具有系绳状连接部分(tethered connect1n)的自由飞行(free-flight)转移过程中使用高速视频技术发现的迸发(exploding)飞派工艺；
[0014]图7图示说明根据图4的方法由使用图1-3的开关模块的图1的电弧焊接机产生的输出电流波形的实施例；
[0015]图8图示说明用于使用图1的系统防止电弧焊接工艺中的飞溅的方法的另一示例性实施例的流程；
[0016]图9图示说明根据图8的方法由使用图1-3的开关模块的图1的电弧焊接机产生的输出电流波形的实施例；
[0017]图10图示说明依据本发明的附加示例性实施方案的附加焊接系统的实施例，所述附加焊接系统依据本发明的实施方案能够执行AC焊接并且能够将电流从负切换为正；
[0018]图11图示说明能够由图10中的系统产生的焊接波形的实施例；
[0019]图12图示说明依据本发明的示例性实施方案的波形的短路清除部分的实施例；以及
[0020]图13图示说明依据本发明的另一个示例性实施方案的电压和电流焊接波形的实施例。
[0021]详细描沐
[0022]现在将在下面通过参照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。
[0023]在弧焊工艺期间，当焊条末端和工件之间的距离是相对小的时候，熔融金属可以经由接触转移过程(例如，表面张力转移或STT工艺)或具有系绳状连接部分的自由飞行转移过程(例如，脉冲焊接工艺)被转移。在接触转移过程中，焊接焊条末端上的熔融金属球与工件进行接触(即，短路)并且在熔融金属球开始与焊条末端基本上分离之前开始“湿润进入(wet into)”工件上的恪池(molten puddle) ο
[0024]在自由飞行转移过程中，熔融金属球与焊条末端分开并且朝向工件“飞越”(flyacross)电弧。然而，当焊条末端和工件之间的距离是相对小的时候，飞越电弧的熔融金属球可以与工件进行接触(即，短路)，而熔融金属的细系绳状部分(thin tether)仍使熔融金属球与工件末端接触。在这样的系绳状自由飞行转移情形下，如本文图6中所图示说明的，当熔融金属球与工件进行接触时，由于通过系绳状部分的电流快速增大，熔融金属的细系绳状部分趋于迸发而导致飞溅。当以DC电极负(DCEN)状态进行焊接时可以特别地是这样的情况。因此，当焊接波形是DCEN型波形时，本发明的方面通过以正极性清除任何短路来解决该问题。
[0025]现转到图1，图1图示说明在焊接输出回路中包括开关模块110并且提供焊接输出121和122的电弧焊接系统100的示例性实施方案的框图。系统100包括能够将输入功率转换为焊接输出功率的功率转换器120。例如，功率转换器120可以为逆变型功率转换器或斩波型功率转换器。系统100还包括丝送进器130，丝送进器130能够将焊接焊丝E送进通过例如将焊接焊丝E连接到焊接输出121的焊枪(未示出)。
[0026]系统100还包括可操作地连接在功率转换器120和焊接输出121之间的分流器140 (或者类似的装置)，来将焊接输出电流送进到系统100的电流反馈传感器150，以感测由功率转换器120产生的焊接输出电流。系统100还包括可操作地连接在焊接输出121和焊接输出122之间的电压反馈传感器160，来感测由功率转换器120产生的焊接输出电压。作为可替换的方式，开关模块110可以被包括在流出焊接电流路径中，例如介于功率转换器120和分流器140之间，或者介于分流器140和焊接输出121之间。
[0027]系统100还包括可操作地连接到电流反馈传感器150和电压反馈传感器160的高速控制器170，来接收以信号161和162的形式表征焊接输出的感测的电流和电压。系统100还包括可操作地连接到高速控制器170的波形发生器180，来接收来自高速控制器170的命令信号171，该命令信号171告知波形发生器如何实时调试焊接波形信号181。波形发生器180产生输出焊接波形信号181并且功率转换器120可操作地连接到波形发生器180，来接收输出焊接波形信号181。功率转换器120通过基于输出焊接波形信号181将输入功率转换为焊接输出功率来生成调制的焊接输出(例如，电压和电流)。
[0028]开关模块110可操作地连接在功率转换器120和焊接输出122之间，焊接输出122在操作期间连接到焊接工件W。高速控制器170也可操作地连接到开关模块110来提供开关命令信号(或消隐信号(blanking signal)) 172到开关模块110。根据本发明的实施方案，高速控制器170可以包括逻辑电路、可编程微控制器以及控制器存储器。
[0029]根据本发明的实施方案，高速控制器170可以使用感测的电压信号161、感测的电流信号162或者这二者的组合来在每个脉冲周期期间确定在推进的焊条E和工件W之间何时出现短路、何时短路要被清除以及何时短路已经实际上被清除。这样的确定何时出现短路以及何时短路被清除的方案在本领域中是公知的，并且例如在美国N0.7，304，269中被描述，美国N0.7，304, 269的全部内容通过引用被并入本文。高速控制器170可以命令波形发生器180在出现短路被/或短路被清除时改变波形信号181。例如，当短路被确定为已经被清除时，高速控制器170可以命令波形发生器180在波形信号181中包括等离子升压脉冲(plasma boost pulse)(参见图7的脉冲750)，来防止在清除前一短路之后立即出现另一短路。
[0030]图2图示说明图1的系统100的部分的示例性实施方案的示图，包括在焊接电流回路中的开关模块110。功率转换器120可以包括逆变电源123以及续流二极管124。由于焊接输出路径中的各种电器部件，焊接输出路径将具有固有的焊接电路电感210。开关模块110被示出为具有与阻抗路径112(例如，高额定功率电阻的网络)并联的电气开关111 (例如，功率晶体管电路)。
[0031]在焊接波形的脉冲周期期间，当没有出现短路时，电气开关111通过来自高速控制器170的开关命令信号172被命令为是闭合的。当电气开关111被闭合时，电气开关111在输出焊接回路中提供非常低的阻抗路径，允许焊接电流通过开关1