本发明的实施例涉及与焊接相关的系统和方法，并且更具体地涉及为使用ac焊接波形的焊接操作提供对电弧长度和电极外伸距离的控制的焊接系统和方法。
背景技术：
一些常规电弧焊丝给送过程控制三个主要变量中的两个，该三个主要变量包括电压、电流和电极给送速率(送丝速度)。另一个变量用于焊接系统中的适应性改变。例如，恒压(cv)气体金属电弧焊接(gmaw)系统可以设定送丝速度和电压，并且使电流适应电极外伸距离的改变。恒压(cv)埋弧焊接(saw)系统调节送丝速度和电压(以提供恒定的沉积速率)并且使电流适配。恒流(cc)埋弧焊接(saw)系统调节电流和电压并且使送丝速度适配。使用者想要预设电流、电压和送丝速度，但仍然要使得其他变量能适配来补偿电极外伸距离的改变。
技术实现要素：
本发明的实施例包括与焊接相关的系统和方法，包括提供对电弧长度和电极外伸距离加以控制、同时保持电极的送丝速度以及焊接波形的预定电压和电流基本上恒定的焊接系统和方法。在一些实施例中，焊接波形的预定电压是rms电压，并且焊接波形的预定电流是rms电流。
一个实施例包括一种具有波形发生器、传感器和控制器的焊接系统。波形发生器被配置成生成具有可调dc偏移和可调占空比的焊接波形。在一个实施例中，焊接波形是埋弧焊接(saw)波形。该焊接波形具有预定电压和预定电流。根据一个实施例，预定电压可以是均方根(rms)电压并且预定电流可以是rms电流。传感器被配置成在焊接操作过程中感测焊接电极处的焊接参数。控制器通信联接到传感器和波形发生器并且被配置成将焊接参数与预定参数进行比较。控制器还被配置成响应于将焊接参数与预定参数进行比较，调整焊接波形的dc偏移和占空比中的至少一个以便控制电极的外伸距离。电极的送丝速度可以保持基本恒定。焊接参数可以对应于，例如，电极与工件之间的电弧长度或电极与工件之间的电压。在一个实施例中，控制器被配置成响应于将焊接参数与预定参数进行比较，调整焊接波形的dc偏移和占空比中的至少一个，以控制电极与工件之间的电弧长度，同时保持电极的送丝速度、焊接波形的预定电压和焊接波形的预定电流基本恒定。在一个实施例中，焊接波形的预定电压是rms电压，并且焊接波形的预定电流是rms电流。
一个实施例包括一种具有波形发生器、传感器和控制器的焊接系统。波形发生器被配置成生成具有可调极性幅值和可调平衡的焊接波形。在一个实施例中，焊接波形是气体金属电弧焊接(gmaw)波形。该焊接波形具有预定电压和预定电流。根据一个实施例，预定电压可以是rms电压并且预定电流可以是rms电流。传感器被配置成在焊接操作过程中感测焊接电极处的焊接参数。控制器通信联接到传感器和波形发生器并且被配置成将焊接参数与预定参数进行比较。控制器还被配置成响应于将焊接参数与预定参数进行比较，调整焊接波形的极性幅值和平衡中的至少一个以便控制电极的外伸距离。电极的送丝速度可以保持基本恒定。焊接参数可以对应于，例如，电极与工件之间的电弧长度或电极与工件之间的电压。在一个实施例中，控制器被配置成响应于将焊接参数与预定参数进行比较，调整焊接波形的极性幅值和平衡中的至少一个，以控制电极与工件之间的电弧长度，同时保持电极的送丝速度、焊接波形的预定电压和焊接波形的预定电流基本恒定。在一个实施例中，焊接波形的预定电压是rms电压，并且焊接波形的预定电流是rms电流。
一个实施例包括一种在焊接操作过程中控制电极外伸距离的方法。该方法包括生成具有可调极性幅值和可调平衡的焊接波形。在一个实施例中，焊接波形是气体金属电弧焊接(gmaw)波形。在另一个实施例中，焊接波形是埋弧焊接(saw)波形。该焊接波形具有预定电压和预定电流。根据一个实施例，预定电压可以是rms电压并且预定电流可以是rms电流。该方法还包括在焊接操作过程中感测焊接电极处的焊接参数以及将焊接参数与预定参数进行比较。在一个实施例中，焊接参数对应于电极与工件之间的电压。该方法还包括响应于焊接参数与预定参数的比较，调整焊接波形的极性幅值和平衡中的至少一个，以控制电极与工件之间的电弧长度，同时保持电极的送丝速度、焊接波形的预定电压和焊接波形的预定电流基本恒定。在一个实施例中，控制电极的外伸距离。根据一个实施例，焊接波形的预定电压可以是rms电压并且焊接波形的预定电流可以是rms电流。
总体发明概念中的许多方面将从以下示例性实施例的详细描述、权利要求和附图中变得显而易见。
附图说明
结合在本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图展示了本披露的多种不同实施例。应理解的是，附图中展示的元件边界(例如，框、组框或者其他形状)表示边界的一个实施例。在一些实施例中，一个元件可以被设计成多个元件或者多个元件可以被设计成一个元件。在一些实施例中，作为另一个元件的内部部件示出的元件可以被实施为外部部件，并且反之亦然。此外，元件可以不是按比例描绘的。
图1示出了用于控制电弧长度和电极外伸距离的焊接系统的实施例；
图2a-2b示出了根据一个实施例的调整ac焊接波形的dc偏移和占空比的实例；
图3a-3b示出了根据一个实施例的调整ac焊接波形的极性幅值和平衡的实例；
图4示出了枪管(喷嘴)的实施例，从而示出电极的可见外伸距离、电极的电气外伸距离和具有电弧长度的电弧；
图5a-5f示出了由图1的焊接系统控制的多种不同焊接波形的示例性实施例；并且
图6示出了可以在图1的焊接系统中实现以控制电弧长度和电极外伸距离的方法的流程图。
具体实施方式
在此披露了焊接系统和方法的实施例。在一个实施例中，焊接系统和方法提供在焊接操作过程中对电弧长度和电极外伸距离的控制，同时保持电极的送丝速度以及焊接波形的预定电压和电流基本上恒定。
现在参见附图，这些附图仅是出于展示本发明的示例性实施例的目的、而不是出于限制本发明的示例性实施例的目的，图1示出了用于控制电弧长度和电极外伸距离的焊接系统100的实施例。焊接系统100包括具有波形发生器107的焊接电源105。焊接系统100还包括控制器110、焊接喷嘴、焊枪或焊炬120、送丝器130和焊丝盘源140。在图1中，焊接电源105和控制器110被示为通过控制电缆115连接的两个装置。然而，根据另一个实施例，焊接电源105和控制器110可以完全整合到单个单元中。将电极丝145从焊丝盘源140给送到送丝器130并且到喷嘴120中。
焊接电源105和控制器110通过送丝器控制电缆135可操作地连接到送丝器130。焊接电源105通过电极电缆125可操作地连接到焊接喷嘴120。待焊接的工件150通过工作电缆155可操作地连接到焊接电源110。根据一个实施例，焊接系统100是埋弧焊接(saw)系统。根据另一个实施例，焊接系统100是气体金属电弧焊接系统(gmaw)。根据其他实施例，其他类型的焊接系统也是有可能的。
焊接电源105通过电缆125和155提供呈ac电压和电流波形的形式的焊接电力，以便在电极丝145(例如，从送丝器130给送通过喷嘴120)与工件150之间形成电弧。根据各种实施例，ac电压和电流波形提供能量以执行焊接操作(例如，saw操作或gmaw操作)，从而将金属(即，焊丝145)焊到工件150上。ac波形的各种特性确定各种所得的焊接特性，如渗透和沉积。此类各种ac波形特性包括在本文中详细描述的电流、电压、平衡、dc偏移、极性幅值和占空比。尽管在本文中示出了示例性ac波形(例如，参见图5)，但根据其他实施例，具有其他形状和特性的其他形状也是有可能的。
在一个实施例中，焊接系统100的送丝器130包括传感器139(例如，电压传感器)，该传感器配置成在焊接操作过程中感测焊接电极145处的焊接参数(例如，电压)。工作感测引线156可以可操作地连接在工件150与送丝器130之间。类似地，电极感测引线157可以可操作地连接在焊接头和喷嘴120与送丝器130之间。感测引线156和157允许传感器139感测焊接参数。在一个实施例中，传感器139可操作地连接到控制器110以便将感测的焊接参数反馈到控制器110。根据一个实施例，控制器110可以使用感测的焊接参数来控制由波形发生器107产生的焊接波形。
在一个实施例中，焊接电源105的波形发生器107被配置成生成具有可调dc偏移和可调占空比的焊接波形。焊接波形包括预定电压和预定电流(例如，rms电压和rms电流)。如本文使用的，术语dc偏移是指ac焊接波形的平均幅值相对于零(零电压或电流)基线的位移。如本文使用的，术语占空比是指波形为正(高于零电压或电流)的ac焊接波形的一个周期的分数。例如，作为以零伏为中心的80伏峰-峰对称方波的电压焊接波形200(参见图2a)可以被调整为具有25％的占空比和+10伏的dc偏移。结果是，已调整的波形210(参见图2b)在每个周期的25％内为+50伏并且在每个周期的75％内为-30伏。在本文中将相对于图5进一步讨论示出可调dc偏移和占空比的波形的实例。
在一个实施例中，焊接电源105的波形发生器107被配置成生成具有可调极性幅值和可调平衡的焊接波形。焊接波形包括预定电压和预定电流(例如，rms电压和rms电流)。如本文使用的，术语“极性幅值”是指ac焊接波形的正部分的正峰值(电压或电流)和ac焊接波形的负部分的负峰值(电压或电流)。对极性幅值的调整可以(但非必须地)对应于应用dc偏移。当应用dc偏移时，正峰值幅值和负峰值幅值在相同方向上改变相同量。然而，极性幅值(正和负)可以彼此独立地被调整不同量。
如本文使用的，术语“平衡”是指在ac焊接波形的一个周期内ac焊接波形的电压或电流为正(高于零)的时间量对ac焊接波形的电流或电压为负(低于零)的时间量。对平衡的调整可以(但非必须地)对应于对占空比的调整(例如，如果允许改变波形的周期的话)。例如，作为以零安培为中心的100安培峰-峰对称方波(1:1的平衡)(+50安培的正峰值和-50安培的负峰值)的电流焊接波形300(参见图3a)可以被调整为每个周期具有50安培峰值正电流和-60安培峰值负电流的、具有1:1.5的平衡(正:负)的已修改波形310(参见图3b)。在图3b中应当注意的是，峰值正幅值保持在+50安培，但峰值负幅值变为-60安培(负极性幅值改变，从而提供110安培的峰-峰值)。另外，波形的正部分的持续时间减少，而波形的负部分的持续时间增加(平衡从1:1变为1:1.5)。在本文中将相对于图5进一步讨论示出可调极性幅值和平衡的波形的实例。
图4示出了枪管(喷嘴)120的实施例，从而示出电极145的可见外伸距离、电极145的电气外伸距离和具有电弧长度的电弧410。电气外伸距离可以被限定为从接触端与焊丝电极145的电气接触点(在枪管(喷嘴)120内)到电弧410的顶部。可见外伸距离可以被限定为从枪管(喷嘴)120的底部到电弧410的顶部。通常，可见外伸距离和电气外伸距离一起增加或减少。然而，除非另外说明，否则如本文使用的，术语“外伸距离”是指电气外伸距离。
当工件的位置相对于焊枪管(喷嘴)改变时，外伸距离改变。这在焊接操作中经常发生，并且可以被考虑在内以便维持恒定的电弧长度和对焊接系统的控制。当外伸距离增加时，电极的电阻加热将使得电极在接近电弧时变得更热。如果没有任何调整(例如，电流、电压、送丝速度或极性)，则电弧长度将趋于增加。相反，当外伸距离减少时，电极的电阻加热减少，并且电极随着其接近电弧并不那么热。同样，如果没有任何调整(例如，电流、电压、送丝速度或极性)，则电弧将趋于减小。在焊接过程(例如，saw或gmaw焊接操作)中维持恒定的电弧长度等同于控制焊接过程本身。虽然外伸距离的改变是系统改变的结果，但需要补偿外伸距离的改变以维持对系统的控制。
过去，为了控制cvgmaw或saw系统的电弧长度或外伸距离，在保持电压和送丝速度相对稳定(恒定沉积率系统)的情况下，改变电流。为了控制ccgmaw或saw系统的电弧长度或外伸距离，在保持电流和电压相对稳定(恒定热量系统)的情况下，改变送丝速度。根据本发明的某些实施例，在焊接操作过程中保持电流、电压和送丝速度基本恒定，而是调整焊接波形的dc偏移(或极性幅值)和占空比(或平衡)中的一个或多个来控制电弧长度或外伸距离。
图5a-5f示出了由图1的焊接系统100控制的多种不同焊接波形的示例性实施例。试图在焊接操作过程中维持期望的电弧长度时，如果电弧长度变得太短或太长，则可以调整外伸距离。图5a-5c对应于saw焊接操作。图5b示出了在saw焊接操作中使用的ac焊接波形(例如，电压或电流)的一个实施例，其提供标称或期望的外伸距离和电弧长度。如果电弧长度开始通过加长或缩短来偏离期望的电弧长度，则调整图5b的ac波形以便形成图5a或图5c的ac波形，这导致调整外伸距离。
当电弧长度变得太长时，电弧电压太高并且需要更低的“热量”或更小的“燃尽速率”。减小的燃尽速率对应于更多的正幅值以及在波形的正部分上花费的更多时间。因此，为了实现图5a的ac焊接波形，对图5b的ac焊接波形应用正dc偏移并且调整占空比，这样使得在波形的正部分上花费更多时间并且在波形的负部分上花费更少时间，如图5a所示。根据一个实施例，进行对dc偏移和占空比的调整，这样使得图5a和图5b的焊接波形的rms电流基本相同，图5a和图5b的焊接波形的rms电压基本相同，并且焊丝电极的送丝速度保持基本不变(即，rms电流、rms电压和送丝速度保持基本恒定)。然而，rms电流、rms电压和送丝速度可能出现一些相对较小的变化。
当电弧长度变得太短时，电弧电压太低并且需要更高的“热量”或更大的“燃尽速率”。增大的燃尽速率对应于更多的负幅值以及在焊接波形的负部分上花费的更多时间。因此，为了实现图5c的ac焊接波形，对图5b的ac焊接波形应用负dc偏移并且调整占空比，这样使得在波形的负部分上花费更多时间并且在波形的正部分上花费更少时间，如图5c所示。根据一个实施例，进行对dc偏移和占空比的调整，这样使得图5b和图5c的焊接波形的rms电流基本相同，图5b和图5c的焊接波形的rms电压基本相同，并且焊丝电极的送丝速度保持基本不变(即，rms电流、rms电压和送丝速度保持基本恒定)。然而，rms电流、rms电压和送丝速度可能出现一些相对较小的变化。
以此方式，可以通过调整ac焊接波形的dc偏移和/或占空比、同时保持预定(例如，使用者设定)电流、电压和送丝速度基本恒定来控制电弧长度和外伸距离。这种控制在saw应用中是特别有效的。
图5d-5f对应于gmaw焊接操作。图5e示出了在gmaw焊接操作中使用的ac焊接波形(例如，电压或电流)的一个实施例，其提供标称或期望的外伸距离和电弧长度。如果电弧长度开始通过加长或缩短来偏离期望的电弧长度，则调整图5e的ac波形以便形成图5d或图5f的ac波形，这导致调整外伸距离。
当电弧长度变得太长时，电弧电压太高并且需要更低的“热量”或更小的“燃尽速率”。减小的燃尽速率对应于更多的正幅值以及在波形的正部分上花费的更多时间。因此，为了实现图5d的ac焊接波形，减小图5e的ac焊接波形的负极性幅值(在该实例中正极性幅值保持相同)并且调整平衡，这样使得在波形的正部分上花费更多时间并且在波形的负部分上花费更少时间，如图5d所示。根据一个实施例，进行对负极性幅值和平衡的调整，这样使得图5d和图5e的焊接波形的rms电流基本相同，图5d和图5e的焊接波形的rms电压基本相同，并且焊丝电极的送丝速度保持基本不变(即，rms电流、rms电压和送丝速度保持基本恒定)。然而，rms电流、rms电压和送丝速度可能出现一些相对较小的变化。在其他实施例中，可以调整正极性幅值并且可以保持负极性幅值相同，或者可以调整正极性幅值和负极性幅值两者。可调极性幅值所提供的这种灵活性超过简单dc偏置的灵活性。
当电弧长度变得太短时，电弧电压太低并且需要更高的“热量”或更大的“燃尽速率”。增大的燃尽速率对应于更多的负幅值以及在焊接波形的负部分上花费的更多时间。因此，为了实现图5f的ac焊接波形，增加图5e的ac焊接波形的负极性幅值(在该实例中正极性幅值保持相同)并且调整平衡，这样使得在波形的正部分上花费更少时间并且在波形的负部分上花费更多时间，如图5f所示。根据一个实施例，进行对负极性幅值和平衡的调整，这样使得图5e和图5f的焊接波形的rms电流基本相同，图5e和图5f的焊接波形的rms电压基本相同，并且焊丝电极的送丝速度保持基本不变(即，rms电流、rms电压和送丝速度保持基本恒定)。然而，rms电流、rms电压和送丝速度可能出现一些相对较小的变化。在其他实施例中，可以调整正极性幅值并且可以保持负极性幅值相同，或者可以调整正极性幅值和负极性幅值两者。同样，可调极性幅值所提供的这种灵活性超过简单dc偏置的灵活性。
以此方式，可以通过调整ac焊接波形的极性幅值和/或平衡、同时保持预定(例如，使用者设定)电流、电压和送丝速度基本恒定来控制电弧长度和外伸距离。这种控制在gmaw应用中是特别有效的。
图6示出了可以在图1的焊接系统100中实现以便在焊接操作过程中控制电弧长度和电极外伸距离的方法600的流程图。在方法600的610处，生成具有可调极性幅值(或可调dc偏移)和可调平衡(或可调占空比)的焊接波形。焊接波形包括预定电压和预定电流(例如，rms电压和电流可能已经由使用者设定)。在一个实施例中，焊接波形是由图1的波形发生器107产生的ac波形。例如，焊接波形可以是gmaw波形或saw波形。
在620处，在焊接操作过程中感测焊接电极处的焊接参数。例如，焊接参数可以是在电极与工件之间感测的电压。在一个实施例中，图1的传感器139(例如，电阻式或电容式分压器传感器)通过感测引线156和157来感测这种电压。根据其他实施例，可以使用其他类型的传感器来感测其他类型的焊接参数(例如，使用分流器或线圈来感测电极处的流动电流，或者使用成像装置来直接感测电弧长度)。
在630处，将感测的焊接参数与预定参数进行比较。例如，可以将感测电压与存储在控制器110中的预定电压水平进行比较，或者可以将感测电流与存储在控制器110中的预定电流水平进行比较。在一个实施例中，控制器110执行该比较，这生成比较值。例如，比较值可以是感测的焊接参数与预定参数之间的差异。根据其他实施例，其他类型的比较值也是有可能的。
在640处，响应于焊接参数与预定参数的比较，调整焊接波形的极性幅值(或dc偏移)和平衡(或占空比)中的至少一个。调整焊接波形控制了电极与工件之间的电弧长度(和外伸距离)，同时保持焊接波形的预定电压和焊接波形的预定电流基本恒定。在一个实施例中，也可以保持电极的预定送丝速度基本恒定。根据一个实施例，焊接波形的预定电压是均方根(rms)电压，并且焊接波形的预定电流是均方根(rms)电流。根据一个实施例，实时连续地执行图6的方法600，这样使得在焊接操作过程中维持期望的电弧长度。
总之，已经披露了焊接系统和方法的实施例。在一个实施例中，焊接系统包括波形发生器以产生具有可调dc偏移(和/或可调极性幅值)和可调占空比(和/或可调平衡)的ac焊接波形。焊接系统的传感器在焊接操作过程中感测焊接电极处的焊接参数。焊接系统的控制器联接到传感器和波形发生器并且将焊接参数与预定参数进行比较。响应于将焊接参数与预定参数进行比较，控制器调整焊接波形的dc偏移(或极性幅值)和占空比(或平衡)中的至少一个，以便控制电弧长度和电极外伸距离。
虽然所披露的实施例已经被相当详细地展示并且描述，但是并不意图对所附权利要求的范围进行约束或以任何方式限制到这样的细节。当然，出于描述主题的多个不同的方面的目的，描述部件或方法的每个可想到的组合是不可能的。因此，本披露不限于所示出并描述的具体细节或展示性实例。因此，本披露意在包含落入所附权利要求的范围内的变更、修改以及变体，这满足35u.s.c.§101的法定主题要求。已经通过举例方式给出了以上对特定实施例的描述。从所给出的披露中，本领域技术人员将不仅理解总体发明概念和伴随的优点，还将发现对所披露结构和方法的明显的多种不同改变和修改。因此，所寻求的是涵盖了落入如由所附权利要求及其等同物所限定的总体发明概念的精神和范围内的所有这样的改变和修改。