用于控制焊接电源的输出功率的系统和方法
【专利摘要】一种用于控制焊接电源的输出电流的方法，包括使用所述焊接电源的控制电路检测均方根(RMS)电流设定。所述方法还包括使用所述控制电路基于所述RMS电流设定计算平均电流命令。所述方法还包括使用所述控制电路，利用所述平均电流命令控制所述输出电流以产生与所述RMS电流设定大致相同的输出。
【专利说明】
用于控制焊接电源的输出功率的系统和方法
【背景技术】
[0001]本发明大体涉及焊接系统，且更具体地，涉及用于控制焊接电源的输出功率的系统和方法。
[0002]焊接是在针对多种应用的各种行业中已变得无所不在的工艺。举例来说，焊接常用于例如造船、海上平台、建筑、乳管机等等的应用中。某些焊接技术(例如，气体保护金属极电弧焊(GMAW)、气体保护药芯焊丝电弧焊(FCAW-G)和气体保护钨极电弧焊(GTAW))通常使用保护气体(例如，氩、二氧化碳或氧)来在焊接过程中在焊弧和焊池中和周围提供特定局部气氛。相比之下，其它焊接技术(例如，埋弧焊(SAW))通常使用颗粒焊剂，其在电弧条件下分解或释气以在焊弧和焊池附近提供局部气氛。另外，与其它焊接技术相比，SAW提供其它优势，例如，增大的沉积速率。
[0003]某些焊接系统可能需要基于均方根(RMS)电流设定和/或RMS电压设定来操作。然而，可能难以调节基于RMS电流设定的RMS电流和/或基于RMS电压设定的RMS电压。举例来说，调节RMS电流和/或RMS电压可使用输出焊接电压和/或输出焊接电流的长期平均值(例如，整流平均值、绝对平均值等)。因此，在比所期望的时间更久之后，使用RMS电流和/SRMS电压来操作的此焊接系统才可在RMS电流设定和/或RMS电压设定下稳定化。
【发明内容】
[0004]在一个实施例中，一种用于控制焊接电源的输出电流的方法包括使用所述焊接电源的控制电路检测均方根(RMS)电流设定。所述方法还包括使用所述控制电路基于所述RMS电流设定计算平均电流命令。所述方法还包括使用所述控制电路，利用所述平均电流命令控制所述输出电流以产生与所述RMS电流设定大致相同的输出。
[0005]在另一实施例中，一种用于控制焊接电源的输出电压的方法包括使用所述焊接电源的控制电路检测均方根(RMS)电压设定。所述方法还包括使用所述控制电路基于所述RMS电压设定计算平均电压命令。所述方法包括使用所述控制电路，利用所述平均电压命令控制所述输出电压以产生与所述RMS电压设定大致相同的输出。
[0006]在另一实施例中，一种用于控制焊接电源的输出电压、所述焊接电源的输出电流或其组合的制品包括一或多个有形、非暂时性的机器可读媒体，其具有编码在其上的处理器可执行指令。所述指令包括检测均方根(RMS)电压设定的指令、检测RMS电流设定的指令，或其组合。所述指令还包括基于所述RMS电压设定计算平均电压命令的指令、基于所述RMS电流设定计算平均电流命令的指令，或其组合。所述指令包括使用所述平均电压命令控制所述输出电压的指令、使用所述平均电流命令控制所述输出电流的指令，或其组合。
【附图说明】
[0007]当参看附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优势将变得更好地被理解，在整个附图中，相似字符表示相似部分，其中:
[0008]图1为根据本发明的方面的埋弧焊(SAW)系统的实施例的框图；
[0009]图2为根据本发明的方面的SAW系统的内部电路的实施例的框图；
[0010]图3为根据本发明的方面的SAW焊炬的实施例的透视图；
[0011]图4为根据本发明的方面的用于控制焊接电源的输出电流的方法的实施例的流程图；和
[0012]图5为根据本发明的方面的用于控制焊接电源的输出电压的方法的实施例的流程图。
【具体实施方式】
[0013]转至附图，图1描述根据本发明的方面的埋弧焊(SAW)系统10的实施例，所述系统1可具有使用基于均方根(RMS)设定计算出的命令来控制的输出。系统10包括焊接电源12、焊丝馈送系统14、焊剂供应系统17和焊炬18。焊接电源12通常将电力供应到焊接系统10，且可经由电缆束20耦合到焊丝馈送系统14上，以及使用具有工作连接夹钳26的引线电缆(lead cable)24耦合到工件22上。在所说明的实施例中，焊丝馈送系统14经由电缆束28耦合到焊炬18上，以在焊接系统10的操作期间将焊丝(例如，实芯或药芯焊丝)和电力供应到焊炬18。在另一实施例中，焊接电源12可耦合到焊炬18上且直接将电力供应到焊炬18。
[0014]所说明的SAW系统1的焊剂供应系统17经由焊剂管道31将焊剂提供到焊炬18。因此，所说明的焊炬18通常接收来自焊丝馈送系统14的焊丝和电力和接收来自焊剂供应系统17的焊剂流以执行工件22的SAW。在操作期间，焊炬18可被带到工件22附近，使得电弧32可形成于焊炬18与工件22之间。应理解，焊接系统10可控制电力、焊丝和/或焊剂到焊炬18、电弧32和/或在工件22的表面处的焊池的递送，以控制焊接过程。
[0015]在图2中说明的实施例中，焊接电源12包括功率转换电路42，其根据系统40的需求从交流电力源44(例如，AC电网、引擎/发电机组或其组合)接收输入功率，调节输入功率，且经由电缆46将输出功率提供到焊炬18。因此，在一些实施例中，功率转换电路42可包括电路元件(例如，变压器、整流器、开关等等)，其能够按系统40的需求的指示将AC输入功率转换成直流电极接正(DCEP)输出、直流电极接负(DCEN)输出、可变平衡AC输出和/或单一固定平衡AC输出(single fixed balance AC output)。端接于夹钳26中的引线电缆24将功率转换电路42耦合到工件22上，且使焊接电源12、工件22和焊炬18之间的电路闭合。
[0016]焊接电源12还包括控制电路48，其被配置用以接收并处理关于焊接系统40的性能和需求的多个输入。控制电路48包括处理电路50和存储器52。存储器52可包括易失性或非易失性存储器，例如，R0M、RAM、磁性存储器、光学存储器或其组合。此外，可将多种控制参数连同被配置用以在操作期间提供特定输出(例如，开始焊丝馈送、启用焊剂流、检测RMS电压和电流设定、计算电压和/或电流命令、控制输出电压和/或输出电流等)的代码一起存储在存储器52中。处理电路50也可接收来自用户接口 54的一或多个输入，通过用户接口 54，用户可选择过程和输入期望参数(例如，电压、电流、特定脉冲或非脉冲焊接方式等等)。举例来说，在某些实施例中，用户接口54可使用户能够设定关于电极接正(EP)或电极接负(EN)电流的量值和振幅的参数(例如，用于涉及可变平衡AC电流和/或单一固定平衡AC输出的焊接应用)。
[0017]基于从操作者处接收的此类输入，控制电路48运行以控制(例如，通过发射到功率转换电路42的控制信号)施加到焊丝上以用于进行期望焊接操作的焊接功率输出的产生。基于此类控制命令，功率转换电路42适于产生最终将施加到在焊炬18处的焊丝上的输出功率。为此，如上所指出，可使用各种功率转换电路，包括断路器、升压电路、降压电路、逆变器、转换器等等。此外，在图2的实施例中，控制电路48还包括接口电路56，其被配置以用在操作期间与焊丝馈送系统14的电子器件接口连接。接口电路56耦合到处理电路50上以及耦合到焊丝馈送系统14的组件上。另外，处理电路50经由耦合到接口电路56上的电缆58将与焊接操作相关联的控制信号提供到焊丝馈送系统14。如先前所述，焊接电源12和焊丝馈送系统14可经由电缆束20相互耦合，且焊炬18可经由电缆束28耦合到焊丝馈送系统14上。
[0018]如图2中所说明的，焊丝馈送系统14还包括用户接口70，其允许在焊丝馈送系统14上设定系统参数(例如，焊丝馈送速度、工艺、选定电流、电压或功率电平、焊剂流动速率等等)。因而，用户接口 70耦合到控制器72上，这允许根据操作者选择来控制焊丝馈送速度，且准许经由接口电路56将这些设定反馈给电源单元12。此外，在某些实施例中，控制器72可耦合到焊剂供应系统17上，使得可通过从用户接口 70输入的用户设定来控制焊剂供应系统17(例如，焊剂漏斗73)的操作。如所说明的，用户接口70可包括控制开关80。
[0019]焊丝馈送系统14还包括用于在控制器72的控制下将焊丝馈送到焊炬18且由此馈送到焊接应用的组件。举例来说，焊丝76的一或多个焊丝供应器74(例如，线轴)容纳于焊丝馈送系统14中。焊丝馈送器驱动单元78可从线轴74上解缠焊丝76且逐渐将焊丝76馈送到焊炬18。为此，焊丝馈送器驱动单元78可包括按用于确立适当焊丝馈送的合适方式配置的组件，例如，电路、马达、$昆等等。举例来说，在一个实施例中，焊丝馈送器驱动单元78可包括馈送马达，其与馈送辊啮合以将焊丝从焊丝馈送系统14推向焊炬18。来自焊接电源12的功率被施加到被馈送的焊丝上。
[0020]在所说明的实施例中，焊炬18可包括焊丝传送组件82和焊剂递送组件85。一般来说，在焊接系统操作期间，可通过电缆束28朝向焊炬18推进焊丝。在焊炬18内，可提供附加焊丝传送组件82，例如，附加牵引马达及相关联的驱动辊。可调节牵引马达以提供所要的焊丝馈送速度。控制开关80可将信号提供到控制器72以允许由操作者开始和停止焊接过程。这些开始/停止信号可从控制器72传播到焊接电源12。因此，启动控制开关80可使焊剂被提供，焊丝被推进，且功率被施加到被推进的焊丝上。
[0021]基于前述内容，图3为被配置用以将焊丝和焊剂提供到工件22的表面的埋弧焊(SAW)焊炬18的实施例的透视图。所说明的SAW焊炬18包括主体90，其包封一或多个通道，焊丝在从焊炬18的远端92附近出来前可穿过所述一或多个通道。即，由焊丝馈送系统14提供到焊炬18的焊丝76可通常从一个端(例如，近端)部分93进入焊炬，且可通常从处于焊炬18的远端92处的接触尖端附近出来。另外，对于图3中说明的焊炬实施例，已通过夹持机构94将焊剂递送组件85附接到焊炬18的主体90上，使得焊剂递送组件85包围在焊炬18的远端92附近的接触尖端。在其它实施例中，焊剂递送组件85可为固定到焊炬18的主体90上的管道，其将焊剂沉积于焊弧附近，而不包围接触尖端。此外，所说明的焊剂递送组件85包括管道96，其可联结到管道75上以从焊剂供应系统17接收焊剂。
[0022]图4为用于控制焊接电源12的输出电流的方法100的实施例的流程图。方法100包括使用焊接电源12的控制电路48或另一焊接装置的控制电路来检测RMS电流设定(框102)。方法100还包括使用控制电路48基于RMS电流设定来计算平均电流命令(框104)。应理解，平均电流可为整流平均值或绝对平均值。平均电流命令可使用任何合适的技术来计算，例如，基于平均值与RMS值之间的关系的经验估计的技术。在某些实施例中，可使用以下公式来计算平均电流命令:1avg = k()+kl*irms+k2*irms2，其中iavg为平均电流命令，irms为RMS电流设定，ko为第一常量，kl为第二常量，且k2为第三常量。应理解，第一、第二和第三常量可为任何合适的值。在其它实施例中，用于计算平均电流命令的公式可使用在多种条件下的针对特定波形的最佳拟合曲线通过经验导出。所述多种条件可包括期望RMS电流、焊丝速度、期望RMS电压等等。在一些实施例中，计算平均电流命令可使用查找表替代公式来实现。查找表可基于对来自所涉及的波形的模拟或理解的经验测量值或计算值。方法100包括控制电路48使用平均电流命令来控制输出电流，以产生与RMS电流设定大致相同的输出(框106)。在某些实施例中，使用前馈控制系统来实现控制输出。
[0023]图5为用于控制焊接电源12的输出电压的方法110的实施例的流程图。方法110包括使用焊接电源12的控制电路48或另一焊接装置的控制电路来检测RMS电压设定(框112)。方法110还包括使用控制电路48基于RMS电压设定来计算平均电压命令(框114)。应理解，平均电压可为整流平均值或绝对平均值。平均电压命令可使用任何合适的技术来计算，例如，基于平均值与RMS值之间的关系的经验估计的技术。在某些实施例中，可使用以下公式来计算平均电压命令:Vavg = ko+kl*Vrms+k2*Vrms2，其中Vavg为平均电压命令，Vrms为RMS电压设定，ko为第一常量，kl为第二常量，且k2为第三常量。应理解，第一、第二和第三常量可为任何合适的值。举例来说，在某些实施例中，第一常量可大致等于零。作为另一实例，在某些实施例中，第二常量可大于约0.8、0.9和/或0.97(例如，第二常量可为约0.972217)。作为又一实例，在某些实施例中，第三常量可小于约0.2、0.1和/或0.001(例如，第三常量可为约
0.0006236)。在其它实施例中，用于计算平均电压命令的公式可使用在多种条件下的针对特定波形的最佳拟合曲线通过经验导出。所述多种条件可包括期望RMS电流、焊丝速度、期望RMS电压等等。在一些实施例中，计算平均电压命令可使用查找表替代公式来实现。查找表可基于对来自所涉及的波形的模拟或理解的经验测量值或计算值。方法110包括控制电路48使用平均电压命令来控制输出电压，以产生与RMS电压设定大致相同的输出(框116)。在某些实施例中，使用前馈控制系统来实现控制输出。
[0024]虽然本文中仅说明和描述了本发明的某些特征，但许多修改和改变将会被本领域的技术人员想到。因此，应理解，所附的权利要求书旨在涵盖落入本发明的真实精神的所有此类修改和改变。
【主权项】
1.一种用于控制焊接电源的输出电流的方法，包括: 使用所述焊接电源的控制电路检测均方根(RMS)电流设定； 使用所述控制电路基于所述RMS电流设定计算平均电流命令；以及 使用所述控制电路，利用所述平均电流命令控制所述输出电流以产生与所述RMS电流设定大致相同的输出。2.根据权利要求1所述的方法，其中利用所述平均电流命令控制所述输出包括使用前馈控制系统。3.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述RMS电流设定计算所述平均电流命令包括使用下列公式计算所述平均电流命令: iaVg = k()+kl*irms+k2*irms2，其中iavg为所述平均电流命令，irms为所述RMS电流设定，ko为第一常量，Iu为第二常量，且1?为第三常量。4.一种用于控制焊接电源的输出电压的方法，包括: 使用所述焊接电源的控制电路检测均方根(RMS)电压设定； 使用所述控制电路基于所述RMS电压设定计算平均电压命令；以及 使用所述控制电路，利用所述平均电压命令控制所述输出电压以产生与所述RMS电压设定大致相同的输出。5.根据权利要求4所述的方法，其中利用所述平均电压命令控制所述输出包括使用前馈控制系统。6.根据权利要求4所述的方法，其中基于所述RMS电压设定计算所述平均电压命令包括使用下列公式计算所述平均电压命令: Vavg = ko+kl*Vrms+k2*Vrms2，其中Vavg为所述平均电压命令，Vrms为所述RMS电压设定，ko为第一常量，Iu为第二常量，且1?为第三常量。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一常量大致等于零。8.根据权利要求6所述的方法，其中所述第二常量大于0.8。9.根据权利要求6所述的方法，其中所述第二常量大于0.97。10.根据权利要求6所述的方法，其中所述第三常量小于0.2。11.根据权利要求6所述的方法，其中所述第三常量小于0.001。12.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一常量大致等于零，所述第二常量大于0.8，且所述第三常量小于0.2。13.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一常量大致等于零，所述第二常量大于0.97，且所述第三常量小于0.001。14.一种制品，用于控制焊接电源的输出电压、所述焊接电源的输出电流或其组合，包括: 一或多个有形、非暂时性的机器可读媒体，其具有编码在其上的处理器可执行指令，所述指令包括: 检测均方根(RMS)电压设定的指令、检测RMS电流设定的指令，或其组合； 基于所述RMS电压设定计算平均电压命令的指令、基于所述RMS电流设定计算平均电流命令的指令，或其组合；以及 使用所述平均电压命令控制所述输出电压的指令、使用所述平均电流命令控制所述输出电流的指令，或其组合。15.根据权利要求14所述的制品，其中基于所述RMS电压设定计算所述平均电压命令的所述指令包括使用下列公式计算所述平均电压命令的指令: Vavg = ko+kl*Vrms+k2*Vrms2，其中Vavg为所述平均电压命令，Vrms为所述RMS电压设定，ko为第一常量，Iu为第二常量，且1?为第三常量。16.根据权利要求14所述的制品，其中所述第一常量大致等于零，所述第二常量大于0.8，且所述第三常量小于0.2。17.根据权利要求14所述的制品，其中所述第一常量大致等于零，所述第二常量大于0.97，且所述第三常量小于0.001。18.根据权利要求14所述的制品，其中基于所述RMS电流设定计算所述平均电流命令的所述指令包括使用下列公式计算所述平均电流命令的指令: iaVg = k()+kl*irms+k2*irms2，其中iavg为所述平均电流命令，irms为所述RMS电流设定，ko为第一常量，Iu为第二常量，且1?为第三常量。19.根据权利要求14所述的制品，其中使用所述平均电压命令控制所述输出电压的所述指令包括使用前馈控制系统控制所述输出电压的指令。20.根据权利要求14所述的制品，其中使用所述平均电流命令控制所述输出电流的所述指令包括使用前馈控制系统控制所述输出电流的指令。
【文档编号】B23K9/10GK105934304SQ201480074241
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2014年12月15日
【发明人】詹姆斯·F·乌尔里奇, 杰里米·D·奥费雷施, 爱德华·G·贝斯特尔
【申请人】伊利诺斯工具制品有限公司