用于焊接设备的保护气体流量控制器的制作方法

专利名称：用于焊接设备的保护气体流量控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及以下领域向电焊设备中的焊接点提供填充气或防护气体(blanket gas)，也被称作保护气体(shielding gas)或活性气体，特别地涉及一种用于在焊接操作的 各个阶段控制防护气体、保护气体、活性气体流量的方法和装置。本发明的领域还涉及用于 等离子切割机的气体调节，其中通过使用本发明所提供的技术方案来控制切割气体(主要 气体)、防护气体(次要气体)或者前述二者的流量。
背景技术：
对于其中向焊接点提供惰性防护气体防护层的电焊操作，通常从集中的防护气体 供应设施、或者从位于焊接设备的焊接机单元附近的气瓶提供防护气体。由供应设施或者 气瓶提供的防护气体通常具备经调节的气体压力，该经调节的气体压力超过可由焊接设备 的防护气体控制装置控制的防护气体的压力。为了将压力降低至可方便地将气体输送到焊 接设备、且该气体受到焊接设备中的接通和断开防护气体流动的一种控制阀控制的水平， 则在接近于气瓶或者气体供应设施的位置将减压装置插入于防护气体供应管线中。因此， 在减压装置与焊接机本身之间存在一段气体供应管线，其中以低于气体供应设施或气瓶中 的气体压力而提供气体。通常，供应管线的这个“较低压力”部段具有相当长的长度，以便 允许焊接机单元的实际使用，常常需要能容易地重新定位焊接机单元以便达到将要执行焊 接工作的不同位置的区域。关于低压供应管线的方面、以及对用于电焊设备的防护气体供 应的控制的方面的另外的细节在本申请人的挪威专利申请第20021557号和主张保护前述 申请优先权的相对应的申请中提供。在20021557中，受到焊丝馈送率控制的脉冲宽度调制 信号驱动式阀代替了电弧焊接设备中传统的保护气体供应阀。本申请者的共同待决的挪威专利申请第N020070472号描述了使用脉冲宽度调制 的PWM阀技术来控制气体流量。对于其中根据焊接电流和根据所选定的焊接操作来调节气体流量的电焊操作，重 要的是气体流量保持高于最低水平以维持焊接的良好品质。将会影响气体供应链中流量的 方面一般为初始气体压力和由调节器本身执行的气体流量调节。此外，可能存在着会影响 气体流量的可变的或恒定的参数，且它们主要是在供应管线中从经调节的气体供应到调节 器的压降，以及在管线中从调节器到气体出口点的压降。有可能添加流量传感器来测量实 际气体流量，并且由此补偿总压降。缺点在于将流量传感器引入到最终产品内较为昂贵； 且取决于可用的流量传感器放置于气体流动管线中的位置，该流量传感器的准确度是可变 的并且是不可预测的。这种准确度的变化与脉冲式气体流动有关，脉冲式气体流动会干扰 已知的流量测量仪器。

发明内容
本发明描述了一种获得气体流量调节的方法，其将会克服与上文所提到的压降相 关的问题。使用相同的调节技术也将会解决对等离子切割操作中的气体流量进行控制的相同问题。本发明提供一种用于焊接设备的气体流量控制器，其表现出了在所附独立专利权 利要求1中所陈述的特点。本发明的气体流量控制器的另外有利特点在所附的从属专利权利要求1至5中加 以陈述。根据本发明用于电弧焊接设备的保护气体流量控制器用于插入到介于电弧焊接 设备的保护气体阀与保护气体源之间的保护气体供应管线内。流量控制器具有保护气体 输入和保护气体输出；可控气体阀，其连接于保护气体输入与输出之间且具有控制输入； 以及，控制器机构，其具有第一输入和气体流量设置控制机构，第一输入用于接收焊接信 号，焊接信号代表着焊接操作期间焊接设备的电焊弧电流，气体流量设置控制机构适于生 成流量设置输出，流量设置输出是焊接信号的函数且代表着所希望的保护气体流量。保护 气体流量控制器还包括输入压力传感器，其连接到保护气体输入、且被布置成向第二控制 器机构输入提供保护气体输入压力测量；以及，输出压力传感器，其连接到保护气体输出且 被布置成向第三控制器机构输入提供保护气体输出压力测量；以及，流量设置输出修改机 构。该流量设置输出修改机构被布置成基于保护气体输入和输出压力测量、焊接信号以及 可控阀的特征，来将气体流量设置控制机构的流量设置输出修改到控制信号内以输入到可 控气体阀的控制输入，以便在焊接操作期间在通往焊接设备的保护气体供应管线中维持与 该流量设置输出相对应的基本上恒定的保护气体流量，其基本上与分别在保护气体输入和 输出处的实际保护气体输入和输出压力无关。有利地，保护气体流量控制器还包括适于基于焊接信号来确定何时不执行焊接操 作的机构，且控制器机构适于向可控气体阀输出空闲控制信号以便在不执行焊接操作的时 段中将输出压力基本上维持在预定的空闲压力水平。有利地，在本发明的保护气体流量控制器的实施例中，其包括气体泄漏检测器机 构，气体泄漏检测器机构适于在不执行焊接操作的时段启用，且适于基于焊接信号、或基于 监控着焊接信号的另一装置的输出来确定该时段。气体泄漏检测器机构包括减法器机构， 其被布置成从保护气体输入压力测量减去保护气体输出压力测量，且提供压差值输出。压 差比较器具有比较器输出，且被布置成分别在第一比较器输入和第二比较器输入上接收压 差值输出和预定的压差参考值。当压差值基本上处于或大于预定的压差参考值时，比较器 适于在比较器输出上提供泄漏指示。在本发明的保护气体流量控制器的另一实施例中，其包括压力水平检测器，压力 水平检测器接收保护气体输入压力测量、且适于在保护气体输入压力测量指示出气体压力 处于或小于预定保护气体输入压力最低水平时向可控气体阀提供阀关闭信号以便关闭该 气体阀。


图1是在焊接操作中本发明的气体流量调节器100的总体方块示意图，图2是在图1所示的焊接操作中本发明的气体流量调节器100的详细方块示意 图，图3是本发明的气体流量调节器100的示范性实施例的详细方块示意图。
图4是基于硬件方案的本发明的气体流量调节器100的控制单元的示范性实施例 的详细方块示意图，图5是对具有压力传感器、阀孔口和流动方向的物理设置的说明，图6是示出在时间轴上PWM信号关于周期T的曲线图，其中Ton代表阀打开周期，图7是本发明所采用的查找表的方块示意图，图8是示出通过本发明的流量调节器的示范性实施例的流量的曲线图，阀以固定 PWM值操作且输入压力变化为从2至6巴，图9是示出通过本发明的示范性实施例的气体调节器的阀的气体流量的曲线图， 其中包括了根据压力传感器的值对PWM进行的调节，以及图10是示出实现于具有两条经调节气体流动管线的等离子切割机内的本发明的 气体调节系统的方块示意图。
具体实施例方式参看图1和图2，本发明通过自动地对阀保持打开的平均时间加以控制，由此减小 在现有技术焊接气体供应设施中通常会经历的流量变化，从而提供了气体流量稳定性的改 进，在现有技术焊接气体供应设施中，气体从馈送点200供应，该馈送点200将会设置在远 离调节器100 —定距离处。在这种现有技术设施中，常见的是将调节器100置于远离气体 最终出口点1100 —段相当大的距离处。这些距离一般将会在一个设施与另一设施之间有 所变动，且供应软管、管道、管路、转接器和连接器的尺寸也有所变动，且结果是使得气体流 量水平受影响，如图8中所进行的测量所示，且因此需要根据压力变化来调节流量以便保 持流量水平处于可接受的公差内。本发明的气体流量控制器包括“PWM控制的气体流量调节器” 100分别在输入 (120)和输出(140)处的压力传感器。在本文中，PWM是“脉冲宽度调制”的首字母缩略词， 其对应于在共同待决的挪威专利申请第N020070472号中披露的PWM。本发明部分地采用上文所提及的脉冲宽度控制式气体流量调节器，该脉冲宽度控 制式气体流量调节器包括脉冲序列发生器和脉冲序列驱动式阀，通常包括电磁阀。脉冲序 列具有两种状态，打开(ON)状态(Ton)和关闭(OFF)状态，如在图6中所述。前述状态的 持续时间(Ton，Toff)，g卩，周期，可由去往脉冲序列发生器的一或多个输入而改变。该阀响 应于前述状态，从而使得当阀由脉冲序列的打开状态部分加以驱动时，阀呈现基本上完全 打开状态；且当阀由脉冲序列的关闭状态部分加以驱动时，阀呈现基本上完全关闭状态。通 过合适地选择脉冲序列的脉冲重复频率，在阀中耗散的驱动功率最小，由此改进了调节器 性能。在本文所提供的本发明的公开内容中，包括附图，脉冲序列驱动式阀由附图标记 110指代，且脉冲序列调节器作为在本文中由附图标记130所指代的阀控制器布置的部分 而被包括在内。参看图3，在下文中解释本发明的气体流量控制器的某些操作方面。为了操作本发明的气体流量控制器，所希望或所需要的气体流量水平(Q)的初始 设置可借助于来自操作者或者控制装置的参考输入300，或者其可为来自对气体流量要求 进行确定的另一过程的测量反馈值400。
在150处，阀输入120处的气体压力的输入压力测量P1被馈送到阀控制器布置 133以调整PWM控制式阀110的打开(ON)周期170，以便获得恒定气体流量600。在阀输出140处的气体压力的输出压力P2测量160用于提供对气体流量减小的 补偿，气体流量减小通常是由于软管、管路和连接600、700、800所构成的气体流动管线的 截面或长度这样的形状方面的恒定或可变的变化所造成。如果输出压力P2的振幅(值)是 可忽略的(即，P2的值较低使得PWM输出变化在可接受的限度内)，那么通过将P2的值设 置为0atm(或者如果使用绝对压力值测量，为latm)，则这种测量可不计入调节，或者如果 P2值的变化在可接受的限度内，那么P2的测量可在公式中由固定值加以替换。一实例为 如果输出压力P2被测量为(例如)1.2巴，那么该公式可为AP = P1-1.2。优点是减小了 测量点的数目，而这同样也降低了产品价格和复杂性。通过在减法器131中从输入压力测量150减去输出压力测量160，则作为压差参 考值而获得阀的输入120与输出140之间的气体压差AP = P1-P2，气体压差AP = P1-P2 被馈送到阀控制器布置133的压差输入132，且在其中用于计算当阀打开时通过阀110的气 体流量。在阀控制器布置133中可根据不同方法进行对气体流量的调节，诸如a)用于所需脉冲宽度的查找表，b)计算脉冲宽度的函数公式、多项式c)电子硬件从而得到图9所示的有所改进的流量调节，其与图8中示出的未经调节的流量相 比，图9示出流量控制的显著改进。在下文中，将参看图7而解释涉及使用一或多个查找表来确定阀控制信号的本发 明的一种实施例。采用查找表的本发明的实施例，对于实际流体和待使用的组分，意境在先前进行 的测量中收集到一组值。为了收集用于这些表的值，对于P1和P2的不同压力水平，测量了 流量并且将所得到的值置于若干查找表里。区块134的功能代表过程参数Y和/或用户输 入X是用户/过程特定的，且AP = P1-P2。AP的值指向必须使用的表，且使用了过程参数⑴和/或用户输入⑴来在该表 内选择PWM输出值(170)。对于典型焊接应用，AP将会在1巴至6巴之间变化；且对于等 离子切割应用，AP可高达12巴。要使用的表的数目将随着对准确度的要求而有所不同， 但可典型地为每0.5巴至1巴压力一个表格。通过在表之间引入插值方法，使用较少表也 可能是足够的，其通过计算将给出对于处于可用表中的值之间的AP值而言的PWM输出。在下文中，将参看图5来解释涉及使用计算来确定阀控制信号的本发明的实施 例。图3中的总区块130可由利用合适软件在处理器中执行的计算来加以替换。参看 图5，流经由阀开口直径Do所代表的孔口构造的流体，将会在这个孔口上经历压降。当阀处 于其打开阶段时，使用这个压降来测量流体流率。流经阀孔口的气体的流率的计算通常是 基于伯努利方程，其结合着与如图6所示的总切换周期T相关的打开周期(Ton)。可修改伯努利方程以使计算机中的计算简单易行；且通过引入流量系数C(f)，伯 努利方程可被写成Q(max) = C(f) * Ao * sqr(2 * AP/p)，
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其中Q(max)=最大体积流率(阀恒定打开)Ao= Ji * (Do/2)2 =阀开口面积(在打开阶段)AP = P1-P2p =流体密度流量系数C(f)是通过实验或在阀实际孔口的数据表中得到。作为基于阀本身的 物理特征来确定Q(max)和Ao的替代，单独的孔口装置可合适地直接位于阀的气体输入或 气体输出处，从而使得单独孔口装置是与确立出阀组件的Q(max)和Ao性质有关的主要元 件。基于特定应用所需的流量水平Q，其将对应于所希望的气体流量，通过以下各式来 计算PWM调制阀的打开周期(Ton)Q = Q (max) * T (on) /TT (on) = T * Q/Q (max)基于特定应用的流量要求来选择PWM输出(170)的脉冲速率。由于所选的脉冲速 率，在焊接应用中作为防护气体、或者在等离子切割机中作为防护和/或切割气体而在出 口(1100)处供应的气体的脉动必须在可接受的限度内。即，在出口 1100处的气体供应必 须无变化，变化将会影响到焊接或切割过程的品质。此外，应用特定的参数X(300)和Y(400)可包括在基于用户特定的设置X和/或 过程反馈参数Y而进行的计算中。在下文中，将参看图3和图4来解释涉及使用硬件调节来确定阀控制信号的本发 明的实施例。在硬件方案中，AP(132)信号被馈送到区块133内，且与来自斜波发生器134的 输出信号进行比较。来自斜波发生器134的输出信号的量值受到应用特定的参数X和/或 Y的影响。可由离散硬件方案或者由如同555计时器电路这样的计时器电路来实现斜波发 生器。来自斜波发生器134的斜坡输出信号的振幅和/或偏移将作为偏移值或增益而受到 X和/或Y的影响。这一般为用户特定的设置，但所产生的效果是导致较高过程特定反馈 值Y的较高电流900将会需要较高的气体流量水平。对用户特定的值X的影响是不同焊 接或切割操作将会需要不同的气体流量水平。将影响到X值的用户设置的参数通常是待 焊接或切割的材料、材料厚度、焊接或切割速度、以及所用气体类型。代表着过程参数Y和 /或用户输入X的方块134的功能是用户/过程特定的，且结果为斜坡式输出电压。当在 137的负输入处的斜坡电压低于AP时，那么PWM输出170为高(OFF)。当斜坡电压高于 AP时，那么输出为低(0N)。气体泄漏检测从本发明的流量控制器的阀110到焊接设备的输出阀800的气体流动管线的气体 泄漏检测。在阀110和800都关闭的情况下，正常情况下应由在本发明的流量控制器的输 出处的压力传感器140检测到恒定压力。如果在阀110和800都关闭的情况下，这个压力 降低，那么这适用作本发明的流量控制器的阀与焊接设备的输出阀800之间的供应管线中 气体泄漏的指示。空闲气体压力维持
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以最低压力填充气体流动管线(600)，从而用以在开始新的焊接或切割操作时快 速开始对气体出口(1100)的气体供应。这通常在电流900断开且阀800关闭的情形下是 有效的。当开始新的焊接或切割操作时，那么当电流900开始时，应可在气体出口 1100处 提供气体。否则，这可能会造成要执行的操作的失败或较差品质。
权利要求
一种用于电弧焊接设备的保护气体流量控制器(100)，其用于插入到介于保护气体源(200)与所述电弧焊接设备的保护气体阀(800)之间的保护气体供应管线内，所述流量控制器具有保护气体(200)输入和保护气体输出(600)；可控气体阀(110)，其连接于保护气体输入与保护气体输出之间且具有控制输入(170)；以及，控制器机构，其具有第一输入(400)和气体流量设置控制(300)机构，第一输入(400)用于接收焊接信号，焊接信号代表着焊接操作期间所述焊接设备的电焊弧电流(900)，所述气体流量设置控制(300)机构适于生成流量设置输出，流量设置输出是所述焊接信号的函数且代表着所希望的保护气体流量，其中所述保护气体流量控制器还包括输入压力传感器(120)，其连接到所述保护气体输入、且被布置成向第二控制器机构输入提供保护气体输入压力测量(150)；以及，输出压力传感器(140)，其连接到所述保护气体输出、且被布置成向第三控制器机构输入(160)提供保护气体输出压力测量；以及，流量设置输出修改机构，其适于基于所述保护气体输入和输出压力测量、焊接信号和可控阀的特征来将所述气体流量设置控制机构的流量设置输出修改到控制信号(170)内，以用于输入到所述可控气体阀的控制输入，从而使得在焊接操作期间，在通往所述焊接设备的所述保护气体供应管线中，实质上与分别在所述保护气体输入和输出处的实际保护气体输入和输出压力无关地维持住与所述流量设置输出相对应的基本上恒定的保护气体流量。
2.根据权利要求1所述的保护气体流量控制器，其包括适于基于所述焊接信号(400)来确定何时不执行所述焊接操作的一种机构；以及，所述控制器机构，其适于向所述可控气体阀输出空闲控制信号，以便在不执行所述焊 接操作的时段中维持所述输出压力(600)基本上处于预定空闲压力水平。
3.根据权利要求1或2所述的保护气体流量控制器，其包括气体泄漏检测器机构，气体 泄漏检测器机构适于在基于所述焊接信号而确定的不执行焊接操作的时段中启用，所述气 体泄漏检测器机构包括减法器机构，所述减法器机构被布置成从所述保护气体输入压力 测量减去所述保护气体输出压力测量、并且提供压差值输出；以及，压差比较器，所述压差 比较器具有比较器输出、且被布置成分别在第一比较器输入和第二比较器输入上接收压差 值输出和预定压差参考值；以及，比较器输出，其在所述压差值基本上处于或大于所述预定 压差参考值时提供泄漏指示。
4.根据权利要求1或2所述的保护气体流量控制器，其包括气体泄漏检测器机构，气体 泄漏检测器机构适于在基于所述焊接信号(400)而确定的不执行焊接操作的时段中启用， 所述气体泄漏检测器机构包括将为根据权利要求2所述的预定空闲水平的参考值，所测 量到的输出压力水平持续地与所述参考值进行比较；以及，比较器输出，当在一段给定的时 段中压差值变化基本上处于或大于预定压差参考值时，比较器输出提供泄漏指示，由此所 述气体流动管线的部段(600)由这种气体泄漏检查方法来进行检查。
5.根据权利要求1、2或3中任一项所述的保护气体流量控制器，其还包括压力水平检测器，压力水平检测器接收所述保护气体输入压力测量、且适于在所述保护气体输入压力 测量指示出气体压力处于或小于预定保护气体输入压力最低水平时向所述可控气体阀提 供阀关闭信号以便关闭所述气体阀。
6.根据权利要求1、2或3中任一项所述的保护气体流量控制器，其还包括气体泄漏检 测机构，气体泄漏检测机构用于检测所述气体流动管线(600)、(700)和(800)中的气体泄 漏，其适于在焊接操作期间测量在所述阀(110)的输出(140)处的气体输出压力，且适于在 所测量到的气体输出压力降低到低于预定气体输出压力阈值的情况下指示出所述气体流 动管线中存在泄露。
全文摘要
用于电弧焊接设备的保护气体流量控制器(100)插入于保护气体源(200)与电弧焊接设备的保护气体阀(800)之间的保护气体供应管线内，该流量控制器具有保护气体(200)输入和保护气体输出(600)；可控气体阀(110)，其连接于保护气体输入与输出之间且具有控制输入(170)；以及，控制器机构，其具有第一输入(400)和气体流量设置控制(300)机构，第一输入(400)用于接收焊接信号，焊接信号代表在焊接操作期间焊接设备的电焊弧电流(900)，且气体流量设置控制(300)机构适于生成流量设置输出，流量设置输出是焊接信号的函数、且代表所希望的保护气体流量。该保护气体流量控制器还包括输入压力传感器(120)，其连接到保护气体输入、且布置成向第二控制器机构输入提供保护气体输入压力测量(150)；输出压力传感器(140)，其连接到保护气体输出、且布置成向第三控制器机构输入(160)提供保护气体输出压力测量；以及，流量设置输出修改装置，其适于基于保护气体输入和输出压力测量、焊接信号和可控阀的特征来修改气体流量设置控制机构的流量设置输出到控制信号(170)内，以用于输入到可控气体阀的控制输入，以便在焊接操作期间在到焊接设备的保护气体供应管线中维持对应于流量设置输出的基本上恒定的保护气体流量，这实质上与分别在保护气体输入和输出的实际保护气体输入和输出压力无关。
文档编号B23K9/16GK101855039SQ200880114251
公开日2010年10月6日 申请日期2008年9月1日 优先权日2007年9月3日
发明者A·哈尔沃森, M·法尔斯塔德 申请人:威尔特克公司