使用高频脉冲和负极性的电弧焊机的制作方法
【专利说明】使用高频脉冲和负极性的电弧焊机
[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，涉及创建高频电流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。更特别地，本发明涉及分别根据权利要求1和9的序言的一种电弧焊机以及电弧焊接方法。
[0002]通过引用的并入
[0003]下面的专利包括涉及当前申请主题的背景信息，并且还通过引用被整体并入本文:美国专利N0.4，994，646，美国专利N0.5，643，479，美国专利N0.5，667，709，美国专利N0.6，515，259，美国专利N0.6，683，278，美国专利N0.7，166，818以及日本专利N0.58-176074。
[0004]发明背景
[0005]当外观重要时，脉冲AC或可变极性的气体保护钨极电弧焊(GTAW)可以被用来焊接铝。在该过程中，电流的调制起作用来交替地膨胀和冷却熔池，因此在焊道中创建一系列有时被称为“堆叠币状体(stacked dimes) ”外观的裙皱(ridges)。为了加速过程超过GTAW过程的速率，GMAW已经常常被使用，但获得“堆叠币状体”焊缝外观有困难。为经由GMAW焊接替代GTAW焊接来获得类似的“堆叠币状体”焊缝外观，操作者可以在接头中向前/向后拖曳焊炬。尽管拖曳可以导致期望的堆叠币状体外观，这种拖曳要求操作者迅速地操控焊炬，导致不如直线前进一样快并且产生不一致的结果的工艺。用GMAW获得“堆叠币状体”外观的另一种办法是脉冲波形的参数的调制，以获得焊接循环的高能量和低能量部分。高能量部分向焊接熔池/池递送高热量，而低能量部分向焊接熔池递送相对低的热量。焊接循环的高能量部分可以使焊接熔池的尺寸膨胀，而焊接循环的低能量部分可以允许熔池冷却和收缩，创建与“堆叠币状体”外观相关联的褶皱。虽然该方法有效，为了获得期望的焊道外观，要求脉冲参数中的显著差异，常常导致高能量段中的飞溅和低能量段中的熄灭。还有一个办法是协同地调制丝送进速率以调制热量并且获得期望的“堆叠币状体”外观。丝送进速率(与相关联的脉冲参数一起)的调制可以是有效的并且可以获得期望的焊道形状，但要求行进速度减速，因为导致的沉积速度被低能量部分显著地减低。因此，需要这样的工艺，所述工艺提供有吸引力的“堆叠币状体”焊道形状外观并且以类似于稳定状态的GMAW过程的速度被实现。
【发明内容】
[0006]本发明提供包括根据权利要求1的高速开关电源供应器和波形发生器的电弧焊机，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工件推进的焊丝之间的空隙的高频电流脉冲，所述波形发生器限定所述高频电流脉冲的形状以及所述高频电路脉冲的极性，并且其中所述高频电流脉冲中的至少一个包括负极性电流。本发明进一步提供根据权利要求9的电弧焊接方法。进一步的实施方案是可从随后的说明书、附图和权利要求书中导出的。
[0007]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。
[0008]附图简要说明
[0009]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。
[0010]图1是用于执行本发明实施方案的示例性组合框图和系统架构；
[0011]图1A是本发明实施方案中的示例性马达控制器的电路图；
[0012]图2A是本发明实施方案的示例性可变极性开关的电路图；
[0013]图2B是图2A中示出的示例性可变极性开关的简化电路图；
[0014]图2C是另一个示例性可变极性开关的另一个简化电路图；
[0015]图2D是修改图2中不出的系统的不例性子程序的接线图和框图；
[0016]图3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电流图；
[0017]图4是获取图3中的高频脉冲和负极性分量并且用以实施图1中示出的实施方案的逻辑图和流程图；
[0018]图5是对图4的流程图的示例性添加的逻辑图和流程图；
[0019]图6是如图1中示出的本发明实施方案的示例性修改的流程图和系统架构；
[0020]图7、图7A、图7B和图7C是本发明进一步的示例性实施的框图，其中脉冲频率和丝送进速度二者由图7A中示出的查找表协调，以产生图7B和图7C中的图形示出的结果；
[0021]图8是用于与图7中图示说明的本发明实施方案一起使用的类似于图4的逻辑图和流程图；
[0022]图9是用于实现如图3中示出的本发明示例性实施方案，并且按照图式图示说明图1的调制输入的框图和逻辑网络；
[0023]图10-16是示出具体通过图9的图和逻辑网络的使用来调制的高频脉冲和负极性分量的示例性电流曲线；以及
[0024]图17是图示说明本发明针对两个波形之间转换所预期的焊接系统和方法的示例性实施例的框图。
[0025]详细描沐
[0026]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。各种示例性可变极性开关16在下面的图2A-2C中被描述。电极E包括铝丝20，铝丝20来自线轴或卷筒22并且通过马达(M) 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1A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。回头参照图1，由于铝电极或焊丝E朝工件W推进，通过与本底电流相结合的一系列电流脉冲，电弧跨空隙g被创建。
[0027]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11。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具有接地的中心抽头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。
[0028]可变极性开关16可以是能够在输出线24、26处创建交替的极性信号的任何开关装置。例如，图2A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D1、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SWl、SW2被连接。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，交替的电流被施加于包括电极E和工件W的焊接电路。图示说明变压器14、整流器电路28、开关网络48以及感应器72的简化电路在图2B中被示出。
[0029]在另一个实施方案中，可变极性开关16可以包括如图2C中示出的简化电路，图示说明变压器14a、整流器28a以及开关网络48a的开关SW1、SW2、SW3和SW4。在这个实施方案中，当SWl和SW4被开启时，电弧是正极性的，并且当SW2和SW3被开启时，电弧是负极性的。
[0030]如图1中示出的，通过使用可变极性开关16，受控制的高频交替电流在电极E处被创建。高频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中的微处理器处理的软件程序或子程序来生成。示例性程序的框图在图2D中被示出，并且可以与各种可变极性开关和开关网络(包括上面提到的那些)合并。
[0031]参照图2D，示例性脉冲发生器91、触发器93以及开关网络94被示出。触发器93是在基极控制线55、56中以期望的高频产生交替逻辑的软件程序。触发器93控制开关网络94 (例如，图2A和图2B的开关网络或图2C的开关网络)以高频交替开关，以产生开关网络94的高频输出。线55、56中的逻辑是触发器93的非同时发生的端子95、96的输出。这些端子上的逻辑是根据在置位端子97或复位端子98之一处的逻辑来交替的。为改变线55,56上的逻辑，端子97、98上的逻辑以由脉冲发生器91确定的频率反转。这是用于交替线55、56上的逻辑的高频，这一高频是在电极E处的焊接电流的频率。脉冲发生器91的输出是线99a上的逻辑，线99a连接到置位端子97并且通过逆变器99b连接到复位端子98。在脉冲发生器91的输出处的正脉冲置位触发器93以在线55中创建逻辑I。在脉冲发生器91的输出处的逻辑O具有反转的作用并且在端子98处创建逻辑I，并且因此在逆变的输出端子96处创建逻辑I以在线56中产生逻辑I。线55或线56中的逻辑I开启开关网络94(例如，图2A和图2B的开关网络48或图2C的开关网络48a)的相关联的开关。当逻辑I转换到相对的输出线时，所述开关立刻关闭。
[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。以相似的方法，电弧电压被传感器54感测以在表征电弧电压Va的线54a上创建电压。依照标准惯例，作为控制器60呈现的数字处理装置被连接到电源供应器10，以依照反馈电流和/或电压来创建脉冲。控制器60被图示说明为包括由振荡器(oscillator，0SC) 64驱动的脉冲宽度调制器62，振荡器64具有超过10kHz的频率。脉冲宽度调制器在振荡器的每个输出期间产生电流脉冲。脉冲宽度确定电流脉冲的幅度。焊接循环期间的电流水平包括许多来自脉冲宽度调制器62的脉冲，所以电流跟随线66上的电压(被图示说明为误差放大器68的输出)，误差放大器68也接收线70上的命令信号。如到目前为止所描述的，焊机A是具有控制电流脉冲的波形的控制器60和控制开关和极性的可变极性开关16的焊机，二者有助于限定在空隙g处的焊接循环，被称为焊接电弧。线70上的电压确定焊接过程的电流脉冲的轮廓(profile)、形状(shape)或等高线(contour)。如被由林肯电气公司(The Lincoln