CN101003105B

CN101003105B - 协同tig焊接系统

Info

Publication number: CN101003105B
Application number: CN2006101470527A
Authority: CN
Inventors: 史蒂文·R.·彼得斯; 埃利奥特·K.·斯塔瓦
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2006-11-13
Publication date: 2011-05-04
Anticipated expiration: 2026-11-13
Also published as: US20070164007A1; AU2006208415A1; US9259796B2; DE602006012796D1; EP1815935B1; AU2006208415B2; ATE460246T1; MX2007000656A; EP1815935A1; CN101003105A; CA2559126C; CA2559126A1

Abstract

本发明揭示了一种改进的TIG焊机，其包括用于执行电极和工件之间的AC TIG焊接工艺的电源及用于在所述电源引线之间产生AC波形的控制器。所述控制器具有协同输入设备，该协同输入设备具有用于接收代表对于所述焊接工艺期望的设定电流的信号水平的输入，以及确定所述波形的一方面，并代表对于特定的期望的设定电流的正性峰值电流和负性峰值电流之间的非线性关系的输出信号。

Description

协同TIG焊接系统

技术领域

本发明涉及电弧焊接领域，特别是用于进行TIG焊接工艺的焊机的波形控制的改进。

背景技术

GTAW或者TIG焊接涉及非消耗电极(诸如钨电极)的使用，其中来自电源的电流在电极和工件之间产生用于熔化并接合工件的电弧。特别是对于诸如铝的金属，TIG焊接通常使用AC波形。波形的电极负性部分用于进行基本焊接步骤，而波形的电极正性部分用于为压焊步骤清洁工件。涉及ACTIG焊接的代表性专利是Risberg 4,038,515；Stava 4,861,965；以及Stava5,683,602。这些AC TIG焊机通常具有平衡的AC焊接，诸如Stava 5,683,602所示；然而，对于铝的TIG焊接，如同Risberg 4,038,515和Stava 4,861,965所示，AC焊接通常是不平衡的。这三个TIG焊接专利通过引用结合在这里作为适用于本发明的背景技术。本发明的优选实施例对于逆变器类型的电源使用一种电源控制技术，该技术涉及使用数字波形发生器来控制焊机电流的脉冲形状。这种波形发生器产生导向到脉冲宽度调制器的一系列开关信号，该脉冲宽度调制器根据波形发生器的输出来控制为了电弧焊接产生的脉冲的实际形状。该技术由本发明的受让人提出，如同在Blankenship 5,278,390所描述的。使用波形发生器来确定逆变器类型的电源的波形的该控制技术在Fulmer 6,498,321中也有所揭示。该早期的Blankenship专利和代表性的Fulmer专利，与Stava 6,365,874一起通过引用结合，作为关于其中波形发生器控制输出电流波形的控制技术的背景。Blankenship专利与Hsu 6,717,108专利一起说明了使用由波形发生器使用的存储器存储状态表格的当前通用技术。状态表格控制特定波形并存储在存储器中。将其输出到波形发生器来生成期望的电流波形。该控制技术在本发明的优选实施例中使用；因此，Hsu 6,717,108也通过参考结合来进一步说明本发明的背景技术。这些多个专利中揭示的技术的总和构成了本发明针对的现有技术的现有状态。它们构成了本发明的背景技术，从而不需要为了理解构成本发明的改进而重复大量的公知背景技术。

在气体钨电弧焊接(有时候称为TIG焊接)中，可以由任何数量的恒定电流源提供输出电流。GTAW或TIG焊接工艺可以焊接大部分金属；然而，通常通过使用惰性气体氛围的DC负性电弧来焊接金属。在使用TIG焊接工艺焊接铝或者镁的情况下，电流通常是具有电极正性电流部分和电极负性电流部分的AC电流。使用公知的技术将这两个部分平衡到一定的程度；然而，最近出现了可变极性电源。使用带有波形发生器的逆变器技术(如同由本发明的受让人所提出的)，可以调节用于TIG焊接的波形的正性电流部分和负性电流部分的形状，幅度和持续时间。使用纯钨电极进行可变AC波形类型的AC TIG焊接。电极的大小由应用以及焊接工艺要求的电流范围决定。如果给定大小的电极在其期望的操作范围之上的正性电流或者正性热能量进行焊接，钨电极将变得过热从而电极将金属从其熔化的末端“分离”到焊接池中。这是不能接受的。在大部分情况下，在波形的正性半周期或部分中在瞬时的正性电流对于使用的特定电极过高的情况下发生电极分离。在通常的AC TIG焊接中，控制不同电流部分的持续时间来将焊接工艺调节到期望的条件。该持续时间随着设定电流增加，与更大的负性穿透持续时间和更大的正性清洁持续时间是直接的线性关系。这种控制不能解决电极末端过度热引起的电极分离问题。

通过使用方波正性电流部分和方波负性电流部分进行具有使用逆变器类型技术的AC波形的TIG焊接。TIG焊接的平均电流通常通过将正性电流乘以正性持续时间而将负性电流乘以负性持续时间而获得。然后将这些函数相加并除以两个电流部分的总的持续时间。当进行TIG焊接工艺时，通常由操作者设定或者通过脚踏板调节平均电流。通过在AC波形的正性和负性部分都控制电流来保持设定电流。然而，基于负极性波形期间的电流调节或者设定电流也是常见的，这是因为该部分的波形用于加热和穿透，而正性部分仅仅用于清洁工件。为了提供期望的TIG焊接结果，如同前面所述，基于期望的TIG焊接电流(不管是平均电流或者负性穿透电流)，以和穿透持续时间的直接关系调节清洁持续时间。持续时间的直接关系意味着清洁随着穿透的增加而增加。可以按比例缩放持续时间的这种关系。从而，TIG焊接系统或焊机具有基于设定电流(不管是平均电流还是负性电流)调节穿透和清洁之间的波形平衡的方法的特征。这种平衡概念不能解决TIG焊接中的基本顾虑，即正性半周期的电流仅仅随着设定电流增加而增加。从而，在高电流时，钨电极可能将熔化的金属从电极的末端“分离”到工件上的熔化的坑中。这种事件在高质量TIG焊接中是不能接受的。

发明内容

根据本发明，协同设备控制AC波形，从而将正性电流或者能量限制到给定值，该给定值提供足够的清洁动作，同时防止分离。波形的正性部分的能量为每个正性半周期期间内瞬时瓦特的积分。本发明的另一方面为随着设定电流增加减少正性半周期的持续时间。在过去，持续时间调节曾经是大致直接的关系。本发明的主要方面为协同设备，用于调节正性电流和负性电流之间的关系从而随着平均电流增加，存在一个设定电流或者能量，在设定电流或者能量之上正性电流保持恒定。该正性电流为在其之下将发生电极分离的电流。从而，基于TIG焊机的设定电流，正性半周期幅度和负性半周期幅度之间存在非线性关系。电流可以是平均电流或者负性穿透电流。建立了设定电流和相对持续时间之间的逆关系，该相对持续时间为用于清洁的正性持续时间和用于穿透的负性持续时间之间的时间。相对持续时间的调节可以包括给定设定电流之后的恒定正性持续时间。但是，根据整体的基本特征，限制正性半周期的电流来防止电极分离。在诸如50安培的低电流下，当平均电流将要达到50安培时，将正性和负性半周期都调节到50安培。在诸如200安培的较高电流下要提高平均电流时，基于电极大小和化学成分将正性半周期限定到例如150安培的设定值。这是在其上电极将开始分离的电流。增加负性半周期电流使得平均电流达到预设的平均电流值。总而言之，在诸如50安培的低电流下，负性和正性电流为50安培。在较高设定电流下，通过在将正性电流保持在恒定值的同时增加负性电流来获得平均电流。从而，本发明的一个实施例限制了正性电流。将该特征与另一协同控制设备结合来建立AC参数的协同关系，诸如以构成协同波形控制设备的函数发生器设定的特定方式调节正性和负性半周期相对持续时间。这种协同控制设备优化了清洁和穿透而不会引起不期望的电极分离。另一个实施例限制AC TIG波形的正性部分的能量。

波形发生器能够控制TIG焊机的输出脉冲，所以现在可能在大的受控范围内调节波形的频率。已经发现在低电流设定下，TIG焊接系统可以通过急剧地增加波形的频率提供集中的电弧弧柱。然而，在较高的预设电流水平，为了集中电弧弧柱而增加的频率产生不期望的环境噪声水平，使得从不能接受的噪声水平来看，电弧弧柱集中可接受程度降低。从而，本发明的另一方面是提供用于基于工艺的预设电流控制TIG焊接工艺的频率的协同设备。在低电流下，频率足够高来集中电弧弧柱。随着电流增加，频率降低以减少与高频率和高电流相关的噪声。新型协同波形控制设备之一建立预设电流与频率之间的关系，以随着低电流增加到给定水平频率时快速地下降。接着在较高设定电流水平提供不变的频率。这减少了不期望的噪声。

本发明涉及TIG焊接系统的协同控制，其中设定电流根据由函数发生器或者类似的信号转换器建立的关系，控制TIG波形的正性半周期和负性半周期的频率，幅度或者持续时间。在本发明的一个方面，限制正性半周期中的电流或者热能量的幅度来防止电极的分离。在另一个方面，调节波形的频率以在低电流下提供电弧弧柱的集中；然而，高电流下的信号转换器提供低频率来防止不期望的环境噪声。进一步地，另一协同设备可以在不同的设定电流下建立正性和负性持续时间之间的唯一关系。该持续时间关系不是仅仅按比例缩放的直接关系，而是一种协同关系，其中正性持续时间在给定电流下变得大致恒定或者正性持续时间随着设定电流增加负性持续时间而保持恒定或者减少。

根据本发明，提供一种TIG焊机的改进，这种TIG焊机包括电源，形成执行电极和工件之间的AC TIG焊接工艺。所述电源具有连接到所述电极的第一输出引线，连接到所述工件的第二输出引线，以及用于在所述电源引线之间产生AC波形的控制器，其中AC波形包括具有第一持续时间和正性峰值电流的正性电流部分以及具有第二持续时间和负性峰值电流的负性电流部分。TIG焊机中的改进为使用具有协同输入设备的控制器，该协同输入设备具有用于接收代表对于所述焊接工艺期望的设定电流的信号水平的输入，以及确定所述波形的一方面并代表对于特定的期望的设定电流所述正性峰值电流和所述负性峰值电流之间的非线性关系的输出信号。根据优选的实施例，所述非线性关系包括当所述负性峰值电流增加超过给定值的时候基本恒定的正性电流或能量。根据所述电极的大小，所述恒定正性峰值电流在100-150安培的大致范围内。根据所述电极的大小，所述恒定热能量在2-5焦耳的范围内。热确实是问题，但是作为实际问题，通过AC波形的正性电流控制了熔化电极的热。

根据优选实施例，所述电源为在大于18kHz的频率操作的逆变器并且所述AC波形由通过脉冲宽度调制器控制所述逆变器的数字波形发生器产生。

本发明的具体实施涉及几个特征，诸如使得第二持续时间显著大于第一持续时间，从而穿透周期比清洁周期持续更长。此外，本发明的具体实施涉及第二协同输入设备，该第二协同输入设备具有接收代表对于所述焊接工艺期望的设定电流的信号的输入，以及确定所述波形的一方面并代表对于特定的期望的设定电流的第一和第二持续时间之间的关系的输出信号。持续时间关系不仅仅随着增加的设定电流增加正性持续时间和负性持续时间，或者根据焊接电流的变化以线形方式调节平衡。以这种方式，关于用于清洁的最大电流的本发明的第一方面包括用于控制清洁和穿透周期的相对持续时间的第二协同设备。

本发明的另一个具体实施涉及另一协同输入设备，该另一协同输入设备具有用于接收代表对于焊接工艺期望的设定电流的信号的输入，以及确定所述波形的一方面并代表对于特定的期望的设定电流的所述波形的频率之间的关系的输出信号。从而，随着电流增加，可以降低频率来减少不期望的噪声量。

在优选实施例中，设定电流为焊接工艺的平均电流；然而，设定电流也可以是TIG焊接工艺的负性电流。

本发明的主要目的是提供具有一个协同控制设备以及第二协同输入设备的TIG焊机，该类型的协同控制设备将正性电流或者能量限制到低于引起钨电极分离的水平，第二协同输入设备用于随着设定电流增加降低TIG焊接工艺的频率。低电流下的高频率集中电弧弧柱。通过第二协同设备降低频率减少了不期望的系统噪声。

本发明的另一个目的是提供一种如上所定义的TIG焊机，该TIG焊机具有驱动波形发生器的一个或者多个协同设备，从而随着操作者调节期望的设定电流，通过唯一的关系调节由波形发生器产生的波形的参数。

这些和其它目标和优点在结合附图的下列描述中将变的明显。

附图说明

图1是示意说明基于变压器类型的标准AC TIG焊机的电路图；

图2是示意说明基于逆变器类型的TIG焊机的框图，其中波形发生器在TIG焊接工艺中控制AC波形；

图3是图2所示的基于逆变器的现有技术焊机产生的标准AC TIG焊接波形的电流曲线图；

图4是示出与标准的调节概念相比的、与对于TIG焊接工艺预设电流相关的协同函数发生器的输出的曲线图；

图5是用于使用协同设备实现AC波形的DC焊机的框图，所述协同设备由图4所示的函数发生器的版本II和版本III控制的；

图6是根据本发明的优选实施例构造的协同设备的函数发生器曲线的曲线图；

图6A是图6揭示的曲线图的包括本发明的一个方面的变型的曲线图；

图6B是用于实现图6A揭示的变型的数字电路的框图；

图7是具有两个协同输入设备的TIG焊机的框图，所述协同输入设备如同图4和图6的函数发生器曲线示意性地表示；

图8是图7所示的TIG焊机的框图，该TIG焊机仅使用具有图6所示的函数发生器曲线的主协同设备。

图9是当通过图7和图8示例的波形发生器控制逆变器时，TIG焊接中使用的标准电流波形的曲线图，其中标记了特定参数以便于讨论；；

图10是图9所示的参数的表格，使用图8所示的AC TIG焊机的单个协同设备以及图12所示的附加协同设备并使用图9的波形参数；

图11是与具有图6所示的关系的函数发生器组合的协同控制设备的函数发生器曲线的曲线图，该函数发生器与具有新型频率关系的第二函数发生器组合；

图12是具有两个协同输入设备的AC TIG焊机的框图，所述两个协同输入设备用于以图11所示的函数发生器曲线控制AC波形的参数；

图13是示意性地描述用于在正性半周期调节热能量的TIG焊机的框图；

图14是仅显示了正性参数曲线的类似于图6所示的曲线的曲线图。

具体实施方式

AC TIG焊接包括称为正性电流部分和负性电流部分的正性半周期和负性半周期。这种焊接以通常在5.0安培范围内的最小电流到300-500安培附近的极高电流进行。正性半周期用于清洁而负性半周期用于焊接或者穿透并将热量传送到工件。对于不同的设定焊接电流，清洁周期和穿透周期需要不同的电流和持续时间的关系。多年来，通过如图1所示的使用SCR的基于变压器的电源为AC TIG焊机供电。这种类型的设备在Stava 4,861,965中有所描述；然而，很难在不同的设定电流水平优化正性半周期和负性半周期。用于如图2大致所示的AC TIG焊机的基于逆变器的电源克服了图1所示焊机的很多功能限制。AC波形由存储在存储器中并且载入到波形发生器中的数字数据控制。即使具有基于逆变器的电源的能力，AC TIG焊机在不同的焊接电流下在正性半周期和负性半周期之间几乎没有简洁的函数关系。最好情况下，正性电流和负性电流随着TIG焊接电流增加而线性地增加。在某些TIG焊机中，相对于设定电流控制正性半周期的持续时间和负性半周期的持续时间之间的平衡。该平衡控制有时候对于不同电流的变化而按比例缩放。由于持续时间的函数关系是线性的并且是直接的函数，即，随着负性周期的持续时间增加，正性周期也会有增加，所以持续时间的控制和持续时间的平衡不是协同控制。

本发明是这种类型的技术的一种改进，其中将特定的协同控制设备集成到波形发生器中，用于在AC TIG焊接工艺中调节负性半周期和正性半周期的参数。

常规现有技术TIG焊机示于图1和图2中，其中焊机A由连接到变压器12的电源10驱动，变压器12在引线24，26上为AC整流器20提供DC信号，AC整流器20具有用于提供电极E和工件WP之间的AC信号的内部扼流器22。AC波形的正性和负性部分由引线1，2，3，4上来自控制器30的触发脉冲控制，控制器30从附属电源32接收供电。基于变压器的焊机A提供的AC TIG焊接波形通常是带有正性半周期的持续时间和负性半周期的持续时间之间的调节的方波。为了获得AC波形上更好的控制，目前对于AC TIG焊接通常使用诸如焊机B的基于逆变器的焊机。这种类型的焊机在图2中示出，其包括连接到用于输出第一DC信号到功率因子校正升压或降压变换器50的输入的整流器42，功率因子校正升压或降压变换器50在引线52，54之间具有第二DC输出信号，形成到高频逆变器60的输入。根据标准技术，逆变器60由脉冲宽度调制器操作，该脉冲宽度调制器以大于18kHz并优选大于20kHz的频率产生脉冲。来自逆变器60的这些高频脉冲在输出引线62，64之间产生具有由很多间隔很近的脉冲形成的形状的波形。输出引线之间的波形具有单一的极性并导向到具有正极性状态以及负极性状态的极性开关70的输入，以在分别连接到电极E和工件WP的输出引线72，74之间提供ACTIG焊接信号。旁路76通过引线74感应实时或者瞬时电流，并在引线78上产生代表焊接工艺的实时瞬时电流的电压信号。总而言之，将引线52，54之间的DC信号转换为高频脉冲，该高频脉冲具有由逆变器60的脉冲宽度调制器确定的形状。波形形状构成了导向到极性开关70的输入的DC信号的波形。为了调整波形的形状来提供电极E和工件WP之间期望的AC信号，将引线78上的电压信号导向到误差放大器80的一个输入。AC波形发生器90在引线92上产生输出信号，形成到误差放大器80的第二输入。将输出引线92上的形状信号与引线78上的实际电流比较以在引线82上产生形状信号，导向到位于逆变器60的控制器的输入处的脉冲宽度调制器。数字波形发生器90具有带有一种逻辑的输出94，该逻辑在一个周期内的任何给定时间根据波形的期望的极性改变。将该逻辑信号导向到开关70的输入。从而，波形的形状由脉冲宽度调制器在任何给定的时间基于引线82上的信号来控制。形状的极性由引线94上的逻辑确定。逆变器60的各种控制通常是数字的，并且由DSP或者微处理器根据标准控制器技术来进行。在框图中示出的元件仅仅是为了显示用于完成焊机B的TIG焊接的AC波形的数字处理装置的子程序和函数。焊机A和B是在电弧焊接领域在AC TIG焊接中使用的标准单元。这些焊机产生如图3所示的AC波形F。正性电流部分110和负性电流部分112组合起来形成波形F的一个周期。根据标准技术，正性部分110具有幅度a和持续时间t₁。类似地，负性部分112具有幅度b和持续时间t₂。周期是t₁，t₂之和。周期是波形F的频率的倒数。电流110a是正性半周期的峰值电流而电流112a是负性半周期的峰值电流。实际上，t₁通常等于t₂；然而，a通常小于b。波形的平均电流由图3的等式给出，其中将作为绝对值的幅度a与持续时间t₁ 的乘积加到作为绝对值的幅度b与持续时间t₂的乘积上。然后用该值除以总的周期t₁+t₂来获得如同AC TIG焊接工艺中使用的平均电流。本发明的协同输入设备的控制优选地基于平均电流；然而，调整的正性峰值电流110a为穿透电流并可以用于控制本发明的协同输入设备。

在实际应用发明中，将诸如图2所示的TIG焊机进行变型来包括根据函数发生器操作的协同设备，从而焊机的设定的焊接电流产生正性清洁周期和/或负性穿透周期的设定电流和参数之间的期望的关系。图4中示出的曲线II和III示出了本发明具体实现的一个新型协同关系。这些曲线是I_avg的值的协同函数f(x)。这意味着电流的设定产生在TIG焊接中唯一的特定参数关系。函数发生器的输出是基于曲线II和曲线III的输入设定电流。根据现有技术，正性部分和负性部分之间的非平衡有时候在改变焊机的设定电流的情况下发生。该现有技术方案是图4的平行线120，122所示的曲线I。随着焊机的设定电流增加超过最小电流，负性半周期的持续时间如同线120所示的那样增加。同时，正性半周期的持续时间沿着作为曲线I的线122增加。这些是可以平行或者不平行的线性直线，但是在图中显示为平行。在某些现有技术中，线性关系是其中正性持续时间具有与负性持续时间不同的百分比的持续时间平衡。这是线性函数而不是协同或者唯一的。根据本发明，正性半周期的持续时间的关系不仅仅是比例平行关系或者平衡。实际上，在一个协同概念中，在线132指示的给定设定电流之后，正性极性t₁如同线130所示基本保持恒定。这显示为负性部分持续时间和正性部分持续时间之间的曲线II。该正性部分在显示为线132的电流之后保持恒定。根据另一个协同关系，线140指示随着设定电流增加半周期的持续时间保持相同或者实际上减少。随着设定电流增加，显示为线120的负性极性持续时间增加。正性极性持续时间在形成曲线III的线140处恒定。图4的显示说明了正性持续时间的三个关系。根据标准技术，正性半周期的持续时间沿着表示版本或曲线I的平行线122增加。这并没有优化两个持续时间之间的关系。为了优化这种关系，处理版本或曲线II，其中正性持续时间在线132上的设定电流之后沿着线130保持恒定。在版本或者曲线III中，持续时间随着设定电流的增加保持相同或者实际上减少，如同包括曲线III的线140所表示的。图5所示的焊机B’通过协同控制设备150的使用具体实现函数发生器关系的曲线II和III，协同控制设备150具有用于调节焊机B的设定电流的输入152。设定电流设备152的输出152a具体实现图4所示的版本II或者版本III，从而引线150a上的信号变型了波形发生器90以产生引线92中的形状，以及具体实现本发明的两个版本之一的极性信号94。正性部分的持续时间或者是线122转变到线130的非线性关系，或者是线140的逆关系。

本发明的主要方面是根据设定焊接电流控制AC TIG焊机的正性半周期和负性半周期的非线性函数发生器的使用。该概念在图6中说明，其中DC负性电流由曲线160表示而DC正性电流由曲线162表示。这两条曲线是线性的并且根据标准技术前进直到点170处的设定电流。在该电流处，曲线160的直线部分160a以及曲线162的直线部分变得非线性。曲线162转变进入水平部分162b。AC波形的正性电流在值m处恒定。值m比作为引起钨分离进入熔化的焊接金属的电流的值n稍小。从而当平均设定电流增加并超过点170时，正性电流保持恒定。这意味着电流不会超过值m。恒定电流包括正性电流的稍微减少。由于图6中的函数发生器曲线的横坐标为平均电流，曲线160在点170之后的部分160b中以更大的斜率向下前进。在点170之前，两个电流是具有相等值的镜像图像，如同线172，174所示。这些线位于大约75安培的设定平均电流。在达到点170处的电流之后，正性电流幅度176显著大于负性幅度178。然而，使用图3所示的公式，这两个幅度在沿着线160b，162b的任何位置仍然获得设定的平均电流。图6中的函数发生器曲线所示的本发明的基本方面具体实施为如图7所示。除了用于在输出引线150a上产生信号来控制沿着版本II和版本III的相对持续时间的协同输入设备150与第二协同输入设备200结合在一起之外，焊机B”与图5所示的焊机B’相同。第二输入设备通过由引线210上的数据控制正性脉冲以及由引线212上的数据控制负性脉冲，实现图6所示的该函数。设定平均电流由具有导向到协同设备150，200的输出204的设备202确定。这些设备输出图4和图6的函数发生器曲线。它们通过引线150a，210和222上的信号控制波形发生器90。波形发生器90在引线92上输出波形形状，在引线94上输出波形极性。根据设定电流改变协同设备150和200的输出，修改这些值。图6揭示的函数发生器操作为本发明的主要方面。图4揭示的函数发生器操作仅仅是辅助性的。然而，根据本发明的一个方面，它们如图7所示组合在一起。图8示例说明了焊机B”的简化版本。焊机C具有与焊机B”相同的部件但是只由协同设备200控制。焊机C仅具体实施构成本发明主要概念的图6所示的函数发生器。

图6A和6B显示了本发明的广泛方面，其包括图6的正性电流曲线的稍微变型。正性曲线162是非线性的并在点170处转变为恒定，水平电流部分162b。以这种方式，正性清洁电流不超过引起电极分离的水平。该电流水平随着电极E的不同直径而变化。因而，水平线162b随着电极直径变化垂直偏移。对于较大的电极，水平m’增加到较高值162b’，该较高值162b’低于大电极的分离电流n’。该偏移在点170a发生。当电极较小时，电流从点170b开始为水平部分或162b”水平。从而，基于电极大小将用于TIG焊接工艺的最大正性电流限制到给定水平。如果设定电流是平均电流，负性曲线160如同图6所示起作用。当设定电流仅仅是穿透电流时，曲线160如前所述为直线。通过使用诸如图6B所示的电路概念的数字程序，具体实现了本发明的广泛方面。选择子程序或程序180将电极大小发送到查找表182来设定图7的焊机B”中的波形发生器90使用的上限给定值n’。

图9所示的波形300与图3所示的波形F类似。正性电流部分302的幅度为k_P。负性电流部分304的幅度为k_N。正性电流部分302的正性持续时间为D_P。如图所示，负性电流部分304的持续时间为D_N。图10的表格使用图6所示的特征示出了幅度k_P，k_N的关系。根据本发明的另一方面，波形300的频率f由协同控制设备控制，该协同控制设备具有高频率在最小峰值电流处发生的函数关系。在图11的底部显示了频率的函数发生器曲线。频率曲线310具有大斜率的直线部分310a。斜率使频率f变化到由水平线310b表示的低恒定值。图11底部所示的频率关系或者函数与图11的上部所示的电流关系或者函数结合。该第二函数复制图6的函数发生器曲线。在图10的表格中，负性部分304的持续时间是正性部分的两倍。这是固定的参数。如图11所示，在低电流时，频率非常高。这稳定了电弧弧柱。随着设定电流以图10的表格所示的方式增加时，电流急剧地减少到低水平310b来防止在高于显示为点312的值的高电流处的不期望的噪声。本发明的最广泛方面示于图8中。图8的焊机C与协同设备组合来输出图11所示的频率的函数发生器非线性关系。在图12中，焊机D集成了图7和8的焊机中所用的协同输入设备200以及另一个协同输入设备330。该设备具有用于控制波形发生器90的输出332。当焊机D的数字控制器处理的波形集成了图11所示的两个函数发生器关系。

限制波形的正性电流部分从而消除或者限制电极末端的熔化金属分离到焊接坑的是基于正性周期期间的热或能量的。在优选实施例中通过仅仅限制正性电流来完成。更直接的技术是通过调节协同设备中的能量来限制实际的热，如同图6的曲线162所示。该能量控制通过如图13所示的具有能量反馈的标准焊机D完成。焊机D由AC电源40驱动，该AC电源40具有由整流器42转换的信号以在引线44，46之间产生第一DC信号。具有引线52，54之间的第二DC信号的功率因子校正、升压或降压转换器50，驱动高开关速度逆变器60。输出引线62，64将给定波形传导到电极E和工件WP之间。电极E为从卷轴334拉出并推过接触末端336的消耗焊丝W。旁路340通过设备342感应电弧电流来在引线344上提供代表电弧电流的信号。该电弧电流信号为到误差放大器350的一个输入，误差放大器350具有用于控制脉冲宽度调制器360的信号的输出引线352，振荡器362通过引线364以大于大约18KHz的频率操作脉冲宽度调制器360。脉冲宽度调制器在引线366上产生开关信号来控制波形的形状。误差放大器350的控制输入位于从波形发生器380引出的引线370上。通过引线370上的数据设定焊接波形的形状，而波形的部分的极性由引线372上的逻辑确定。如同目前为止所描述的，焊机D通过电流反馈控制焊接工艺。为了控制正性波形部分的能量，焊机D包括从具有输入感应引线406、408的设备404接收引线402上的电弧电压信号的电路400。将引线402、344上的电压信号分别和电流信号通过乘法器级410 相乘来产生引线412上的瞬时瓦特信号。该值由数字级414积分以给出累积的能量ET作为引线420上的值或者数字。比较器422将引线420上的实际值与引线424上由设备430协同地相关的调整的能量值比较。发生器380在波形的正性部分的开始处通过程序或者子程序440开始积分，并且在E_T等于调整的E_R(如同来自设备450的引线442上的逻辑所指示的)的情况下终止正性部分。设备450从比较器442接收引线452上的信号，从而子程序或者设备450通过引线454上的重置信号456重置级414。焊机D包括协同设备460或者基于如图6所示设定电流I_S改变E_R。改变该优选的协同关系来限制正性能量，如图14所示。通过编程在协同设备460中、显示为曲线450的关系控制设备430的调整的能量。在点502处，能量进入低于熔化的金属将从给定大小的电极分离的热能量p的恒定能量值504。图13和14显示了优选实施例的变化，它们在设定电流超过给定值的情况下限制正性电流。在较低正性持续时间下能量限制更为精确并工作更好。

总而言之，本发明涉及一种AC TIG焊机，其具有用于控制高开关速度逆变器类型电源的脉冲宽度调制器的波形发生器。根据本发明，根据标准技术控制波形发生器，但是也使用根据协同设备具体实施的函数发生器曲线调节波形的正性部分和负性部分的参数的协同输入设备。设定电流(优选为TIG焊机的平均电流但是也可以是负性穿透电流)确定如同由函数发生器曲线定义的波形的选定参数。

Claims

1.一种TIG焊机，包括：

电源，用于执行电极和工件之间的AC TIG焊接工艺，所述电源具有：

连接到所述电极的第一输出引线，和

连接到所述工件的第二输出引线；以及

控制器，用于在所述电源引线之间产生AC波形，所述AC波形包括具有第一持续时间和正性峰值电流的正性电流部分以及具有第二持续时间和负性峰值电流的负性电流部分，

所述控制器具有：

协同输入设备，该协同输入设备具有用于接收代表对于所述焊接工艺期望的设定电流的值的信号水平的输入；以及

输出信号，确定所述AC波形的一方面并基于所述设定电流控制所述正性电流部分和所述负性电流部分之间的峰值、持续时间或波形频率之间的非线性关系。

2.根据权利要求1所述的TIG焊机，其中：

所述输出信号代表对于选定的设定电流，所述正性峰值电流和所述负性峰值电流之间的关系。

3.根据权利要求2所述的TIG焊机，其中所述非线性关系包括当所述负性峰值电流增加超过给定值的时候恒定的正性峰值电流。

4.根据权利要求3所述的TIG焊机，其中所述恒定的正性峰值电流在100-150安培的范围内。

5.根据权利要求1所述的TIG焊机，其中所述电源为在大于18kHz的频率操作的逆变器，并且所述AC波形由控制所述逆变器的数字波形发生器产生。

6.根据之前的任一项权利要求所述的TIG焊机，其中所述第一和第二持续时间基本相等。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的TIG焊机，其中所述第二持续时间显著大于所述第一持续时间。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的TIG焊机，其中所述控制器具有第二协同输入设备，该第二协同输入设备具有接收代表对于焊接工艺期望的设定电流的信号的输入，以及确定所述波形的一方面并代表对于特定的期望的设定电流的第一和第二持续时间之间的关系的输出信号。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的TIG焊机，其中所述控制器具有第二协同输入设备，该第二协同输入设备具有用于接收代表对于焊接工艺期望的设定电流的信号的输入，以及确定所述波形的一方面并代表对于特定的期望的设定电流的所述波形的频率之间的关系的输出信号，其中随着期望的设定电流增加，频率从低设定电流处的高量级频率降低，直到所述频率达到选定的低量级。

10.根据权利要求1-5中任一项所述的TIG焊机，其中所述设定电流为所述焊接工艺的平均电流。

11.根据权利要求1-5中任一项所述的TIG焊机，进一步包括：

将所述正性电流部分限制到根据所述电极的大小调整的预定数值的电路；

将所述正性电流部分的能量限制到根据所述电极的大小调整的预定数值的电路。

12.根据权利要求1所述的TIG焊机，其中至少一个电流部分作为所述期望的设定电流的函数而变化。

13.一种TIG焊机，包括：

连接到所述电极的第一输出引线，和

连接到所述工件的第二输出引线；以及

所述控制器具有：

协同输入设备，具有用于接收代表对于焊接工艺期望的设定电流的值的信号的输入，以及

输出信号，确定所述AC波形的一方面并控制所述AC波形的频率和所述设定电流之间的关系。

14.根据权利要求13所述的TIG焊机，其中所述频率作为所述期望的设定电流的函数而变化。

15.根据权利要求13所述的TIG焊机，其中所述电源为在大于18kHz的频率操作的逆变器，并且所述AC波形由控制所述逆变器的数字波形发生器产生，并且关系为随着设定电流的增加频率降低。

16.根据权利要求13所述的TIG焊机，其中所述控制器具有第二协同输入设备，该第二协同输入设备具有接收代表对于焊接工艺期望的电流的信号的输入，以及确定所述波形的一方面并代表对于特定的期望的设定电流的第一和第二持续时间之间的关系的输出信号。

17.一种TIG焊机，包括：

连接到所述电极的第一输出引线，和

连接到所述工件的第二输出引线；以及

控制器，用于在所述电源引线之间产生AC波形，所述AC波形包括具有第一持续时间和正性峰值电流的正性电流部分以及具有第二持续时间和负性峰值电流的负性电流部分，所述控制器包括：

协同输入设备，该协同输入设备具有接收代表对于所述焊接工艺期望的设定电流的信号水平的输入，以及

输出信号，确定所述波形的一方面，并基于所述设定电流控制所述第一持续时间和所述第二持续时间之间的非线性关系。

18.根据权利要求17所述的TIG焊机，其中所述关系包括当所述第二持续时间增加超过给定值的时候基本恒定的第一持续时间。

19.根据权利要求17所述的TIG焊机，其中所述关系包括当设定电流增加时所述第一持续时间的减少。

20.一种TIG焊机，包括：

连接到所述电极的第一输出引线，和

连接到所述工件的第二输出引线；以及

控制器，用于在所述电源引线之间产生AC波形，所述AC波形包括具正性峰值电流的正性电流部分以及具有负性峰值电流的负性电流部分，所述控制器包括：

协同输入设备，该协同输入设备具有接收代表对于所述焊接工艺期望的设定电流的值的信号水平的输入，以及

确定所述波形的一方面的输出信号以及将所述正性峰值电流限制在100-150安培的范围的给定水平内的电路。

21.根据权利要求20所述的TIG焊机，进一步包括基于所述电极的大小调节所述给定水平的电路。

22.一种TIG焊机，包括：

连接到所述电极的第一输出引线，和

连接到所述工件的第二输出引线；以及

控制器，用于在所述电源引线之间产生AC波形，所述AC波形包括具有正性峰值电流的正性电流部分以及具有负性峰值电流的负性电流部分所述控制器具有：

确定所述波形的一方面的输出信号以及将所述正性电流部分的能量限制在2-5焦耳的范围的给定水平内的电路。

23.根据权利要求22所述的TIG焊机，进一步包括基于所述电极的大小调节所述给定水平的电路。