具有恒定的熔滴尺寸的可变极性脉冲的制作方法
【专利说明】具有恒定的熔滴尺寸的可变极性脉冲
[0001]本发明涉及使用气体保护金属极电弧焊(GMAW)工艺的电弧焊技术，更特别地，涉及创建高频脉冲串来形成一系列构成焊接加工的焊接循环的GMAW电弧焊机。再更特别地，本发明涉及分别根据权利要求1和8的序言的一种电弧焊机以及使用所述电弧焊机的方法。
_2] 通过引用的并入
[0003]下面的专利包括涉及当前申请主题的信息，并且还通过引用被整体并入本文:2011年11月9日递交的美国序列号13/293，103 ；2011年11月9日递交的美国序列号13/293，112 ；2012年7月6日递交的美国序列号13/543，545 ；2012年7月20日递交的美国序列号13/554，744 ;2012年9月24日递交的美国序列号13/625，188 ;以及2013年3月7日递交的美国序列号13/788,486。
[0004]发明背景
[0005]在电弧焊接中，普及的焊接工艺是脉冲焊接，所述脉冲焊接主要使用固体丝电极与外保护气体。气体保护金属极电弧焊接(GMAW)，诸如金属极惰性气体保护(MIG)焊接，使用间隔的脉冲，所述间隔的脉冲首先熔化推进的丝电极的端部并且随后将熔融的金属从丝的端部推动通过弧到工件。在脉冲焊接工艺的每个脉冲周期期间，熔融金属或熔滴的球状团被转移。
【发明内容】
[0006]交流电流(AC)焊接可以包括在脉冲波形中的负极性部分期间的负电流。负极性部分可以非常快速地在丝的端部上建立熔融熔滴并且可以难以控制。因为适应性控制方法典型地着眼于波形的长期运行平均，而不管极性，任何特定的熔滴的尺寸可以针对各个循环改变。跟随着熔滴的形成的脉冲峰值必须足够大以转移期望的可能最大的熔滴，即使实际的熔滴较小。该状况可以导致不一致的熔滴转移，例如，具有溅射、差的外观和过热。
[0007]在一个实施方案中，电弧焊机包括高速开关电源供应器，所述高速开关电源供应器具有控制器，用于创建通过在工件和朝所述工件推进的焊丝之间的空隙的高频脉冲，波形发生器，所述波形发生器限定所述高频脉冲的形状以及所述高频脉冲的极性，并且其中所述波形发生器感测来自通过所述空隙的弧的反馈，并且当所述反馈的函数达到预先确定的值时，结束负极性部分。
[0008]本发明的进一步的实施方案、特征和优点在随后的说明书、附图和权利要求书中给出。本发明的说明不以任何方式或权利要求书或发明的范围来限制权利要求书中使用的词语。权利要求书中使用的词语具有其全部的普通含义。
[0009]附图简要说明
[0010]在被并入说明书并且构成说明书的一部分的附图中，本发明的实施方案与上面给出的发明的一般描述一起被图示说明，并且下面给出的详细的说明用来例示本发明的实施方案。
[0011]图1是针对用于执行本发明实施方案的示例性焊机的示例性组合框图和系统架构；
[0012]图2是本发明实施方案中的示例性马达控制器的示例性电路图；
[0013]图3A是本发明实施方案的示例性可变极性开关的示例性电路图；
[0014]图3B是本发明的实施方案中的另一个示例性可变极性开关的另一个示例性电路图；
[0015]图4是示出正极性效应和负极性效应的示例性焊接电弧的图；
[0016]图5是图示说明随同示例性恪滴(droplet)状态的高频脉冲和负极性分量的电流图；
[0017]图6是图不说明尚频脉冲和负极性分量的不例性功率图和电流图；
[0018]图7是图示说明在本发明示例性实施方案中使用的高频脉冲和负极性分量的示例性特征的示例性电流图；
[0019]图8是获取具有示例性特征的示例性高频脉冲(包括负极性分量)的示例性逻辑图和流程图；
[0020]图9是确定示例性负极性分量的端部的示例性逻辑图和流程图；
[0021]图10是确定示例性负极性分量的端部的另一个示例性逻辑图和流程图；
[0022]图11是针对用于执行本发明实施方案的示例性焊机的另一个示例性组合框图和系统架构；
[0023]图12是示出合并示例性工作点的示例性波的示例性组合框图；
[0024]图13是包括工作点的示例性查找表；
[0025]图14是图示说明示例性短路和随后的负极性分量的示例性波形图；以及
[0026]图15是图示说明另一个示例性短路和另一个随后的负极性分量的另一个示例性波形图。
【具体实施方式】
[0027]现在参照附图，附图仅为图示说明本发明的示例性实施方案的目的，而不是为限制本发明的示例性实施方案的目的，图1公开具有一般地标准配置的示例性焊机A，焊机A包括诸如逆变器或降压变换器的高速开关电源供应器10，高速开关电源供应器10具有通过可变极性开关16的方式将电流脉冲引导到电极E的输入整流器12和输出变压器14。在该实施方案中，电源供应器调节脉冲的电流。然而，在其他实施方案中，电压或者电压和电流的组合可以被调节来限定高频脉冲。示例性可变极性开关16在下面与图3A相联系被更详细地描述。电极E包括诸如铝丝的丝20，所述丝20来自线轴或卷筒22并且通过马达32的动作由送进器30朝工件W推进。马达32由马达控制器31控制。示例性的马达控制器在图2中被示出，其中脉冲宽度调制器(PWM) 34在反馈转速器(tachometer，TACH) 36和运算放大器40的引导下控制马达32的速率并且因此送进器30的速率，所述运算放大器40用于将来自转速器36的输入42与以在线44上的水平的形式的命令丝送进速率(WFS)信号相比较。其他马达控制器31也可以被使用。
[0028]回头参照图1，由于铝电极或丝E朝工件W推进，通过可以包括脉冲峰、本底电流和负极性电流的一系列电流脉冲，电弧跨空隙g被创建。
[0029]现在参照示例性的电源供应器，逆变器阶段包括开关型逆变器10，开关型逆变器10被提供有来自三相电压源L1-L3的电源，三相电压源L1-L3根据当地线频率具有50Hz或60Hz的频率。AC输入电压被整流器12整流以提供被引导到逆变器10的输入的DC链接Ilo输出，或逆变器10的负载是具有初级绕组15a和次级绕组15b的变压器14，所述初级绕组15a和次级绕组15b具有连接到工件W的中心抽头17。次级绕组15b被引导到可变极性开关16，以创建连接到电极E和工件W的输出线24、26。
[0030]可变极性开关16可以是能够在输出线24、26处开关极性信号的任何开关装置，诸如通过引用以其全部被并入的美国序列号13/788，486中描述的那些开关装置。例如，图3A示出具有正整流器电路28的示例性可变极性开关16，正整流器电路28具有创建正输出端子38和负输出端子46的二极管Dl、D2、D3和D4，正输出端子38和负输出端子46连接到输出开关网络48。输出开关网络48可以包括两个晶体管型开关SWl和SW2，所述开关通常以绝缘栅双极晶体管(IGBTs)的形式，所述开关可以根据基极线55、56上的逻辑而被开启或关闭。为了耗散当开关SW1、SW2被关闭时的高电压，缓冲器(snubber，SN)网络57、58跨开关SW1、SW2被连接。还可以使用其他配置的开关网络，诸如，例如，如图3B中示出并在下面讨论的开关网络48’。网络48可以被用于基本上超过200安培的脉动的高焊接电流。单输出感应器被分为正脉冲区(sect1n) 74和负脉冲区76。以这种方式，AC电流在连接到电极E和工件W的输出线24、26中被创建。通过接连地交替基极控制线55、56上的逻辑，高频的交替的电流被施加于包括电极E和工件W的焊接电路。AC频率由逻辑在基极控制线55、56上交替的频率确定。这些线上的逻辑可以由在例如波形发生器或波成形器80中的微处理器处理的软件程序或子程序来生成，在下面被更详细地描述。
[0031]图3B示出使用全波桥(full wave bridge)的另一个示例性可变极性开关16’。输出开关网络48’可以包括四个晶体管型开关SWl、Sff2,Sff3和SW4，所述开关可以根据基极线55、56上的逻辑而被开启或关闭。当SWl和SW2被开启时，电极E是正的；当SW3和SW4被开启时，电极E是负的。网络48’还可以被用于基本上超过200安培的脉动的高焊接电流。以这种方式，AC电流在连接到电极E和工件W的输出线24、26中被创建。通过接连地交替基极控制线55、56上的逻辑，交替的电流被施加于包括电极E和工件W的焊接电路。AC频率由逻辑在基极控制线55、56上交替的频率确定。这些线上的逻辑可以由在例如波形发生器或波成形器80中的微处理器处理的软件程序或子程序来生成，在下面被更详细地描述。
[0032]回头参照图1，电弧电流被传感器52读取以在表征电弧电流Ia的线52a中创建电压信号。以相似的方法，电