CN102186624B - 用于控制混合焊接工艺的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制混合焊接工艺的系统和方法。一种集成混合焊接电源(100)包括：用于提供第一焊接输出的第一电源(200)以及用于提供第二焊接输出的第二电源(300)。所述第一电源(200)和所述第二电源(300)被可操作地连接，以在并行地操作时实时地使所述第一焊接输出与所述第二焊接输出相协调。

Description

用于控制混合焊接工艺的系统和方法
相关申请的交叉引用/通过引用并入：2007年9月26日递交的美国专利申请(序列号)11/861,379通过引用被全部并入本文作为涉及弧焊电源和波形的背景信息。1994年1月11日递交的美国专利No.5,278,390通过引用被全部并入本文作为涉及控制焊接工艺的背景信息。2005年9月15日递交的美国专利申请(序列号)11/227,349通过引用被全部并入本文作为涉及焊接系统顺序控制的背景信息。
技术领域
某些实施方案涉及混合焊接。更特定地，某些实施方案涉及用于控制混合(hybrid)焊接工艺的系统和方法。尤其，本发明涉及集成混合焊接电源以及用于控制混合焊接工艺的方法。
背景技术
焊接定序系统已经被开发来在更高的系统等级定序各种焊接设备，提供程序、低速控制以及焊接设备的定序。例如，使用弧焊机和激光焊机的混合焊接系统已经被开发，其中弧焊机的控制主要地是与激光焊机的控制分开的。一些混合焊接系统在更高的系统等级相对于彼此定序弧焊机和激光焊机，提供程序、激光焊机关于弧焊机的低速控制。这样的混合焊接系统趋于允许更低弧焊功率的使用，输入到焊缝的热的更好的控制，以及比单独使用弧焊获得的焊缝更好质量的焊缝。
通过参考附图将常规的、传统的和设想的途径与在本申请的其余部分中提出的本发明的实施方案相比较，对本领域熟练人员而言，这样的途径的进一步的限制和缺点将变得易于理解。
发明内容
本发明的实施方案包括一种用于控制混合焊接工艺的系统和方法。本发明的第一实施方案包括一种集成混合焊接电源。所述集成混合焊接电源包括能够提供用于驱动第一焊接设备的第一输出的第一电源，以及能够提供用于驱动第二焊接设备的第二输出的第二电源。所述第一电源和所述第二电源被可操作地连接，以在并行地操作时实时地使所述第一输出与所述第二输出相协调。
所述第一电源可以包括基于第一状态的函数发生器，并且所述第二电源可以包括基于第二状态的函数发生器，两者均以公共时钟信号操作。所述第一输出和所述第二输出可以以所述公共时钟信号的逐个时钟周期为基础被实时地协调。可替换地，所述第一输出和所述第二输出可以以逐个状态为基础被实时地协调。作为进一步的选项，所述第一输出和所述第二输出可以以逐个焊接段(welding phase)为基础被实时地协调。
根据本发明的实施方案，所述第一电源能够监控第一焊接反馈信息和第一焊接状态信息，并且能够提供所述第一焊接反馈信息和所述第一焊接状态信息给所述第二电源。至少部分响应于所述第一焊接反馈信息和所述第一焊接状态信息，所述第一输出和所述第二输出可以被实时地改变。
根据本发明的实施方案，所述第二电源能够监控第二焊接反馈信息和第二焊接状态信息，并且能够提供所述第二焊接反馈信息和所述第二焊接状态信息给所述第一电源。至少部分响应于所述第二焊接反馈信息和所述第二焊接状态信息，所述第一输出和所述第二输出可以被实时地改变。
另外，至少部分响应于由所述第二电源生成的第二焊接波形，所述第一输出可以被实时地改变。类似地，至少部分响应于由所述第一电源生成的第一焊接波形，所述第二输出可以被实时地改变。
本发明的另一实施方案包括一种用于控制混合焊接工艺的方法。所述方法包括生成第一焊接输出，以及与所述第一焊接输出同时生成第二焊接输出。所述方法还包括实时地使所述第一焊接输出与所述第二焊接输出相协调，从而所述第一焊接输出的下一个状态被所述第二焊接输出的当前状态影响，并且所述第二焊接输出的下一个状态被所述第一焊接输出的当前状态影响。所述状态可以由至少一个基于状态的函数发生器的时钟周期，至少一个基于状态的函数发生器的状态数字和相关联的条件及定义，或者所述第一焊接输出和所述第二焊接输出的焊接段来定义。
所述方法可以进一步包括监控第一焊接反馈信息以及与所述第一焊接输出相关联的第一焊接状态信息。所述方法还可以包括监控第二反馈信息以及与所述第二焊接输出相关联的第二焊接状态信息。所述方法可以进一步包括响应于所述第一焊接反馈信息和/或所述第一焊接状态信息，改变所述第一焊接输出和所述第二焊接输出中的至少一个。所述方法还可以包括响应于所述第二焊接反馈信息和/或所述第二焊接状态信息，改变所述第一焊接输出和所述第二焊接输出中的至少一个。
本发明的进一步的实施方案包括一种混合焊接电源。所述混合焊接电源包括提供用于驱动第一焊接设备的第一输出的装置，以及提供用于驱动第二焊接设备的第二输出的装置，其中用于提供第二输出的所述装置和用于提供第一输出的所述装置并行地操作。所述混合焊接电源还包括用于实时地使所述第一输出与所述第二输出相协调的装置。
所述混合焊接电源还可以包括用于监控第一焊接反馈信息和第一焊接状态信息的装置。所述混合焊接电源还可以包括用于监控第二焊接反馈信息和第二焊接状态信息的装置。所述混合焊接电源还可以包括用于提供至少所述第一输出和所述第二输出的协同控制的装置。
从下面的说明、权利要求书以及附图，将更完整地理解所要求保护的发明的这些和其他特征，以及其中被说明的实施方案和其他实施方案的详细内容。
附图简要说明
图1图示说明集成混合焊接电源的第一示例性实施方案；
图2图示说明用于图1的混合焊接电源的弧焊电源的示例性实施方案；
图3图示说明用于图1的混合焊接电源的激光电源的示例性实施方案；
图4图示说明使用图1的混合焊接电源获得的协调的激光输出和弧焊输出的示例性实施方案；
图5图示说明集成混合焊接电源的第二示例性实施方案；
图6图示说明用于图5的混合焊接电源的弧焊电源的示例性实施方案；
图7图示说明用于图5的混合焊接电源的激光电源的示例性实施方案；
图8图示说明使用图5的混合焊接电源获得的协调的激光输出和弧焊输出的示例性实施方案；
图9图示说明集成混合焊接电源的第三示例性实施方案；以及
图10图示说明混合焊接系统的示例性实施方案。
具体实施方式
如本文所使用的，术语“混合焊接”是指至少两种焊接工艺的组合。术语“焊接”在本文中以一般的方式被使用，并且可以指这样的工艺，所述工艺包括，例如，气体保护金属极弧焊(GMAW)、气体保护钨极弧焊(GTAW)、热丝焊接、弧钎焊、电阻加热钎焊、等离子弧焊、埋弧焊、电阻焊接、激光焊接、串联/多弧焊以及焊丝输送装置控制。其他类型的焊接工艺也是可能的。例如，在热丝激光焊接中，电源可以被用作电流源来加热丝，而激光可以被用来将丝熔化到焊接接缝中。本文所描述的某些示例性实施方案集中在于混合激光/电弧焊。
图1图示说明集成混合焊接电源100的第一示例性实施方案。集成混合焊接电源100将弧焊电源200和激光电源300结合到单个集成电源100中以进行焊接。弧焊电源200能够产生电流和电压波形的弧焊输出，所述电流和电压波形的弧焊输出在弧焊输出通道130上被输出，来驱动弧焊设备(例如焊炬或焊枪)。激光电源300能够产生驱动电流波形的激光输出，所述激光输出与所述弧焊输出相协调并且在激光输出通道140上被输出，来以脉冲或调制方式驱动激光设备(例如，二极管类激光器)。如本文所使用的术语“波形”可以是指，例如DC脉冲波形、AC波形、斜坡波形、线性递增和/或递减波形或者非线性递增和/或递减波形。其他类型的波形也可以是可能的。
弧焊电源200和激光电源300通过高速通信接口120连接。高速通信接口120可以为数字接口，例如低压差分信号(LVDS)接口或者使用专用或非专用数字通信协议的光纤接口。其他的数字接口也是可能的，其中许多都是本领域公知的。
激光电源300可以在通信接口120上发送激光反馈信息和激光状态信息到弧焊电源200。激光反馈信息可以包括，例如激光功率水平、激光温度或熔池温度、激光定位以及激光聚焦。激光反馈信息可以由监控激光输出的激光反馈传感器或装置150生成，并且所述激光反馈信息可以经由反馈通道155被反馈到激光电源300。类似地，弧焊电源200可以在通信接口120上发送弧焊反馈信息和弧焊状态信息到激光电源300。弧焊反馈信息可以包括，例如弧焊电压、弧焊电流以及焊丝输送速度。弧焊反馈信息可以由电压、电流和速度反馈传感器或装置160生成，电压、电流和速度反馈传感器或装置160监控弧焊输出和焊丝输送速度，并且所述弧焊反馈信息可以经由反馈通道165被反馈到弧焊电源200。
弧焊电源200和激光电源300经由通信接口120被可操作地彼此连接，从而在弧焊电源200和激光电源300两者彼此并行地操作时，弧焊电源200产生的弧焊输出和激光电源300产生的激光输出可以实时地彼此相协调。混合焊接电源100被完全地集成，从而弧焊电源200在通信接口120上实时地发送信息到激光电源300，并且反之亦然。
所传送的信息可以为，例如基于状态的信息、反馈信息和/或状态信息。通信接口120可以为弧焊电源200和激光电源300之间的高速连接，以允许例如以逐个时钟周期为基础，以逐个状态为基础，或者以逐个焊接段为基础，进行实时通信。每个状态由状态数字指定并且具有限定针对该状态的事件和条件的定义。一旦进入一状态，可以通过某些变化(例如条件变化、逻辑变化、被达到的电流或电压阈限和/或被达到的时限)的发生而离开所述状态。弧焊电源200的当前状态数字可以在通信接口120上被报告给激光电源300，并且反之亦然。例如，如果弧焊状态数字已经改变，响应于改变的弧焊状态数字，用于所述激光电源的下一个状态数字可以改变。
图2图示说明用于图1的混合焊接电源100的焊接电源200和相关联的弧焊反馈能力单元160的示例性实施方案(被示出可操作地连接到焊条250和焊接工件260，所述焊条250和焊接工件260不是弧焊电源200的一部分)。弧焊电源200是如本文所描述的一种状态机类型的系统。
弧焊电源200包括加载到基于状态的函数发生器220的弧焊程序210。根据本发明的实施方案，基于状态的函数发生器220包括可编程的微处理器装置。弧焊程序210包括软件指令，所述软件指令用于生成弧焊波形并且用于生成经由通信接口120被提供给激光电源300以使激光输出与弧焊输出相协调的实时信息。所述系统进一步包括可操作地连接到基于状态的函数发生器220的数字信号处理器(DSP)230。所述系统还包括可操作地连接到DSP 230的高速放大器逆变器240。可以使用本领域公知的其他处理器类型，例如精简指令集计算机(RISC)、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)以及微控制器。再者，可以使用本领域公知的其他电源类型(例如斩波器)而不是放大器逆变器。
DSP 230从基于状态的函数发生器220获得其指令并且控制高速放大器逆变器240。高速放大器逆变器240根据来自DSP 230的控制信号235，将高压输入功率241转换为低压焊接输出功率。例如，根据本发明的实施方案，DSP 230提供控制信号235，所述控制信号235确定用于高速放大器逆变器240的引发角(firing angle)(开关激活定时)，以产生电焊波形的各个段(phase)。
高速放大器逆变器240的输出242和243可以可操作地分别连接到焊条250和工件260，以提供在焊条250和工件260之间形成电弧的焊接电流。
弧焊电源200还包括电压和电流反馈能力单元160，电压和电流反馈能力单元160感测焊条250和工件260之间的电压，并且感测流过由焊条250、工件260和高速放大器逆变器240形成的焊接电路的电流。感测的电流和电压可以在反馈通道165上被反馈，并且可以被基于状态的函数发生器220使用，来例如在焊接工艺期间检测焊条250对工件260的短路(即短路状况)并且检测熔融金属球何时将从焊条250箍断(pinch off)(即解除短路状况)。瞬时电压和电流可以被不断地监控和反馈。同样，激光反馈和状态信息可以在通信接口120上从激光电源300被反馈到弧焊电源200的基于状态的函数发生器220，并且被用来至少部分地确定基于状态的函数发生器220的下一个状态或段。
弧焊电源200还包括减流装置(current reducer)280和二极管290。减流装置280和二极管290被可操作地连接在高速放大器逆变器240的输出242和243之间。减流装置280还可操作地连接到DSP 230。当焊条250和工件260之间出现短路状况时，DSP 230可以经由控制信号236命令减流装置280将通过焊接电路的电流水平拉到预先定义的基值电流水平之下。类似地，当出现解除短路状况(即熔融金属球从焊条250的远端箍断)时，DSP 230可以命令减流装置280将通过焊接电路的电流水平拉到预先定义的基值电流水平之下。根据本发明的实施方案，减流装置280包括达林顿(Darlington)开关、电阻器和限制器(snubber)。
激光电源300可以包括具有各种安全能力和特征的适当调整的电流源，并且被用于驱动激光器件。所述激光器件可以包括一组(bank)激光二极管和各种光学装置(例如透镜、分光器、反射器、伺服反射镜、光纤头)，所有激光器件可以被激光电源300控制。
例如，图3图示说明用于图1的混合焊接电源100的激光电源300和相关联的激光反馈能力单元150的示例性实施方案(被示出可操作地连接到激光二极管组350和激光光学装置360，激光二极管组350和激光光学装置360不是激光电源300的一部分)。激光电源300是如本文所描述的一种状态机类型的系统。
激光电源300包括加载到基于状态的函数发生器320的激光焊接程序310。根据本发明的实施方案，基于状态的函数发生器320包括可编程的微处理器装置。激光焊接程序310包括软件指令，所述软件指令用于生成脉冲或调制的激光波形，并且用于生成经由通信接口120被提供给弧焊电源200以使激光输出与弧焊输出相协调的实时信息。所述系统进一步包括可操作地连接到基于状态的函数发生器320的数字信号处理器(DSP)330。所述系统还包括可操作地连接到DSP 330的高速电流源340。可以使用本领域公知的其他处理器类型，例如精简指令集计算机(RISC)、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)以及微控制器。
DSP 330从基于状态的函数发生器320获取其指令并且控制高速电流源340。高速电流源340根据来自DSP 330的控制信号335，将输入功率341转换为激光驱动输出功率。例如，根据本发明的实施方案，DSP 330提供控制信号335，所述控制信号335确定由高速电流源340所产生的驱动电流，以产生激光焊接波形的各状态或段。
高速电流源340的输出140可以被可操作地连接到激光二极管组350，以提供形成被馈送到激光光学装置360的激光束的激光驱动电流，其中所述激光束被成形、聚焦和/或分光。来自DSP 330的控制信号336可以被用来以逐个状态为基础地控制所述激光光学装置，来例如调节激光束聚焦，将所述激光束分光为多个光束或者重新定位所述激光束的空间方向。
激光电源300还包括激光反馈能力单元150，激光反馈能力单元150可以感测激光功率水平、温度、激光定位和/或激光聚焦。所感测的参数可以在反馈通道155上被反馈并且被基于状态的函数发生器320使用，来例如检测熔池的过热或欠热状况。同样，焊接反馈和状态信息可以在通信接口120上，从弧焊电源200被反馈到激光电源300的基于状态的函数发生器320，并且被用来至少部分地确定基于状态的函数发生器320的下一个状态或段。
根据本发明的实施方案，弧焊电源200和激光电源300各自的基于状态的函数发生器220和320两者可以均以同一公共时钟信号999操作，以允许所述激光输出和所述弧焊输出以逐个时钟周期(例如以120KHz的时钟频率或控制频率)为基础被实时地协调。这允许所述弧焊输出和所述激光输出的最大协调。可替换地，弧焊电源200和激光电源300各自的基于状态的函数发生器220和320可以每个以独立的专用时钟信号操作，以允许所述激光输出和所述弧焊输出例如以逐个状态(例如以333Hz的状态率或状态频率)为基础或以逐个焊接段为基础被实时地协调。这样的焊接状态或段可以包括，例如起始状态或段、基值状态或段、峰值状态或段、尾拖(tail-out)状态或段、增热状态或段、短路清除状态或段、箍缩(pinch)状态或段以及停止状态或段。其他的状态和段也是可能的。
图4图示说明为增加对焊缝的热输入，在混合焊接工艺403的周期401上使用图1的混合焊接电源100获得的协调的激光输出404和弧焊输出402的示例性实施方案。混合焊接工艺403的各个阶段(stage)(A-E)在周期401上使用弧焊波形402和激光波形404，并且示出焊条491和金属工件499之间的关系。在混合焊接工艺403的弧焊部件期间，使用图1和图2的弧焊电源200在送进的焊条491和金属工件400之间生成一系列电弧脉冲，所述弧焊电源200能够生成弧焊波形402来产生电弧脉冲。
一般地，周期401在混合焊接工艺期间周期性地重复，以产生最终焊缝(resultantweld)。然而，周期401可以在没有相同数目的增热脉冲450的情况下重复，并且可能地，如果未发生短路状况，可以在没有短路清除段420的情况下重复。弧焊波形402的周期401包括提供基值电流水平411的基值电流段410、提供峰值电流水平431的峰值电流段430以及提供单调递减尾拖电流水平441的尾拖电流段440。
在基值电流段410期间，电弧495被保持在焊条491和工件499之间，在焊条491的远端产生熔融金属球492(见工艺403的阶段A)。在阶段B，仍连接到焊条491的熔融金属球492对工件499短路。当发生短路时，弧495被熄灭并且弧焊波形402的电流水平被下降到基值电流水平411之下达到电流水平412，以允许熔融球492润湿进入工件499上的熔池。
在短路清除段420期间，激光束(由图3的激光二极管组350和激光光学装置360形成，并且由图1和图3的高激光电源300驱动)被引导至焊缝，并且驱动激光波形404的功率水平从基值激光功率水平422被提高到峰值激光功率水平421，这导致短路的熔融金属球492如工艺403的阶段C中所示的开始从焊条491的远端箍断，进入工件499的熔池。当熔融金属球492从焊条491箍断，弧496在焊条491和工件499之间被重建。
一旦弧496被重建，激光波形404的功率水平被降低，而弧焊波形402进入峰值电流段430。在峰值电流段430期间，波形402的电流水平被提高到并保持在峰值电流水平431。根据本发明的实施方案，峰值电流水平431是波形402的最高电流水平，并且在焊条491和工件499之间建立具有充分强度的弧497，以开始在焊条491的远端形成下一个熔融金属球498。
在峰值电流段430之后，弧焊波形402进入尾拖电流段440。在尾拖电流段440期间，波形402的电流水平朝基值电流水平411单调(例如呈指数)递减，提供递减尾拖电流水平441。波形402的电流将热输入焊缝。尾拖电流段440作为波形402的粗热控制段，而基值电流段410作为波形402的细热控制段。然而，在某些焊接应用中，使用激光提供附加的热输入控制可以是合乎期望的。
在尾拖电流段440之后，再次进入基值电流段410，提供基值电流水平411并且在焊条491的远端产生基本上均匀的下一个熔融金属球498(阶段A)。在基值电流段410期间，至少一个增热激光脉冲450被生成作为激光波形404的一部分，提供介于基值激光功率水平422和峰值激光功率水平421之间的中间激光功率水平451。增热激光脉冲450在基值电流段410内可以被周期性地重复，直到熔融金属球498和工件499之间发生下一次短路，在那时，弧495被熄灭并且弧焊波形402的电流水平被下降到基值电流水平411之下达到电流水平412，以允许所述下一个熔融球498润湿进入工件499上的熔池(阶段B)。
增热激光脉冲450用于再加热熔池及周围区域以增加焊透性(penetration)。例如，在留隙焊根接缝(open root joint)的焊接中，通过增热电流脉冲450提供的这种热增加可能是被期望的，以提供更好的焊透性而不增加熔池的流动性。通过使用激光波形404来提供增热脉冲而不是弧焊波形402，弧焊波形402的电流仍然很低，从而不会使焊滴通过电弧过渡并且不会迫使焊接系统在短弧过渡(transition)之上进入粒状过渡(globulartransfer)。
再者，一般地，周期401在混合焊接工艺403期间周期性地重复，以产生最终焊缝。然而，周期401可以在没有相同数目的增热脉冲450的情况下重复，并且可能地，如果未发生短路，可以在没有短路清除段420的情况下重复。如本文所使用的，术语“电流水平”是指基本上稳定的，但由于产生弧焊波形的多少有些不精确的性质而可以有一些变化的电流幅度。类似地，如本文所使用的，术语“激光功率水平”是指基本上稳定的，但由于产生激光焊接波形的多少有些不精确的性质而可以有一些变化的功率幅度。
在图1-3中图示说明的集成混合焊接电源100的配置在弧焊电源200和激光电源300之间提供控制，来允许以逐个状态为基础的弧焊波形402和激光波形404的精确协调，以如本文所描述的清除短路并且增加焊缝的焊透性热。
图5图示说明集成混合焊接电源500的第二示例性实施方案。集成混合焊接电源500将弧焊电源600和激光电源700结合到单个集成电源500中以进行焊接。弧焊电源600能够产生电流和电压波形的弧焊输出，所述电流和电压波形的弧焊输出在弧焊输出通道130上被输出以驱动弧焊设备(例如焊炬或焊枪)。激光电源700能够产生电流或电压水平的激光输出，所述电流或电压水平的激光输出与所述弧焊输出相协调，并且在激光输出通道140上被输出以驱动激光设备(例如二极管类激光器)。
弧焊电源600和激光电源700经由通信接口520被可操作地彼此连接，从而由弧焊电源600产生的弧焊输出和由激光电源700产生的激光输出可以彼此相协调。弧焊电源600在通信接口520上发送命令和控制信息到激光电源700。同样，激光电源700在通信接口520上发送激光反馈信息和激光状态信息到弧焊电源600。在这样的实施方案中，弧焊电源600作为主设备而激光电源700作为从设备。在可替换的实施方案中，所述激光电源可以作为主设备而所述弧焊电源可以作为从设备。
激光反馈信息可以包括，例如激光功率水平、激光温度或熔池温度、激光定位以及激光聚焦。激光反馈信息可以由监控激光输出的激光反馈传感器或装置150生成，并且所述激光反馈信息可以经由反馈通道155被反馈到激光电源700。类似地，弧焊反馈信息可以包括，例如弧焊电压、弧焊电流和焊丝输送速度。弧焊反馈信息可以由电压、电流和速度反馈传感器或装置160生成，所述电压、电流和速度反馈传感器或装置160监控弧焊输出和焊丝输送速度，并且所述弧焊反馈信息可以经由反馈通道165被反馈到弧焊电源600。
图6图示说明用于图5的混合焊接电源500的弧焊电源600和相关联的弧焊反馈能力单元160的示例性实施方案(被示出可操作地连接到焊条250和焊接工件260，焊条250和焊接工件260不是弧焊电源600的一部分)。弧焊电源600是如文本所描述的并且类似于但不是完全地相同于图2的弧焊电源200的一种状态机类型系统。
电源600包括加载到基于状态的函数发生器220的焊接程序210。根据本发明的实施方案，基于状态的函数发生器220包括可编程的微处理器装置。焊接程序210包括软件指令，所述软件指令用于生成弧焊波形，并且用于生成经由通信接口520被提供到激光电源700以使激光输出与弧焊输出相协调的命令和控制信息521。所述系统进一步包括可操作地连接到基于状态的函数发生器220的数字信号处理器(DSP)230。所述系统还包括可操作地连接到DSP 230的高速放大器逆变器240。可以使用本领域公知的其他处理器类型，例如精简指令集计算机(RISC)、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)以及微控制器。再者，可以使用本领域公知的其他电源类型(例如斩波器)而不是放大器逆变器。
根据本发明的实施方案，命令和控制信息521可以作为高速数字信息在通信接口520上，例如通过使用低压差分信号(LVDS)技术或者专用或非专用数字通信协议被传送。其他的数字接口也是可能的，其中许多是本领域公知的。根据本发明的可替换实施方案，命令和控制信息521可以作为一个或更多个简单模拟信号或模拟电平在通信接口520上被传送，将控制电压传送到对应于期望的激光输出功率的激光电源700。
DSP 230从基于状态的函数发生器220获得其指令并且控制高速放大器逆变器240。高速放大器逆变器240根据来自DSP 230的控制信号235，将高压输入功率241转换为低压焊接输出功率。例如，根据本发明的实施方案，DSP 230提供控制信号235，所述控制信号235确定用于高速放大器逆变器240的引发角(开关激活定时)，以产生电焊波形的各段。
高速放大器逆变器240的输出242和243可以可操作地分别连接到焊条250和工件260，以提供在焊条250和工件260之间形成电弧的焊接电流。
弧焊电源600还包括电压和电流反馈能力单元160，电压和电流反馈能力单元160感测焊条250和工件260之间的电压，并且感测流过由焊条250、工件260和高速放大器逆变器240形成的焊接电路的电流。感测的电流和电压可以在反馈通道165上被反馈，并且可以被基于状态的函数发生器220使用，来例如检测焊条250对工件260的短路(即短路状况)并且检测熔融金属球何时将从焊条250箍断(即解除短路状况)。瞬时电压和电流可以被不断地监控和反馈。同样，激光反馈和状态信息522可以从激光电源700在通信接口520上被反馈到弧焊电源600的基于状态的函数发生器220，并且被用来改变命令和控制信息521和/或被用来改变所述弧焊输出。
弧焊电源600还包括减流装置280和二极管290。减流装置280和二极管290被可操作地连接在高速放大器逆变器240的输出242和243之间。减流装置280还可操作地连接到DSP 230。当焊条250和工件260之间出现短路状况时，DSP 230可以经由控制信号236命令减流装置280将通过焊接电路的电流水平拉到预先定义的基值电流水平之下。类似地，当出现解除短路状况(即熔融金属球从焊条250的远端箍断)时，DSP 230可以命令减流装置280将通过焊接电路的电流水平拉到预先定义的基值电流水平之下。根据本发明的实施方案，减流装置280包括达林顿开关、电阻器和限制器。
激光电源700可以为具有各种安全能力和特征的适当调整的电流源，并且被用于驱动激光器件。所述激光器件可以包括一组激光二极管和各种光学装置(例如透镜、分光器、反射器、伺服反射镜、光纤头)，所有激光器件可以被激光电源700控制。
例如，图7图示说明用于图5的混合焊接电源500的激光电源700和相关联的激光反馈能力单元150的示例性实施方案(被示出可操作地连接到激光二极管组350和激光光学装置360，激光二极管组350和激光光学装置360不是激光电源700的一部分)。激光电源700不是如本文前先所描述的状态机类型的系统，而是作为这样的从设备，所述从设备受控于作为主设备的弧焊电源600。
所述系统包括可操作地连接到通信接口520的数字信号处理器(DSP)330，以从弧焊电源600接收命令和控制信息521。所述系统还包括可操作地连接到DSP 330的高速电流源340。可以使用本领域公知的其他处理器类型，例如精简指令集计算机(RISC)、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)以及微控制器。
DSP 330从命令和控制信息521获得其指令并且控制高速电流源340。高速电流源340根据来自DSP 330的控制信号335，将输入功率341转换为激光驱动输出功率。例如，根据本发明的实施方案，DSP 330提供控制信号335，所述控制信号335确定由高速电流源340所产生的脉冲驱动电流，以产生最终的受控脉冲激光功率输出。
高速电流源340的输出140可以被可操作地连接到激光二极管组350，以提供形成被馈送到激光光学装置360的激光束的激光驱动电流，其中所述激光束被成形、聚焦和/或分光。来自DSP 330的控制信号336可以被用来基于命令和控制信息521控制所述激光光学装置，来例如调节激光束聚焦，将所述激光束分光为多个光束或者重新定位所述激光束的空间方向。
激光电源700还包括激光反馈功能单元150，激光反馈功能单元150可以感测激光功率水平、温度、激光定位和/或激光聚焦。所感测的参数可以在反馈通道155上被反馈，并且在通信接口520上被传送到弧焊电源600并被弧焊电源600使用，来例如检测熔池的过热或欠热状况。
图5的集成混合焊接电源500提供比图1的焊接电源100所能够提供的水平略低的集成和激光/弧焊输出协调水平。然而，仍可以实现对焊接工艺的显著改善。例如，图8图示说明使用图5的混合集成焊接电源500获得的协调的激光输出和弧焊输出的示例性实施方案。波形810表征在时间段805上的弧焊输出的电压，而波形820表征在时间段805上的弧焊输出的相应电流。波形830表征在时间段805上的激光输出的受控激光功率，其中激光输出与弧焊输出相协调。波形815表征弧焊电源600的状态数字，而波形835表征激光焊接电源700的状态数字。
从图8的波形，可以看出的是，当弧焊电流波形820下降到第一阈值水平(约150安培)之下时，激光功率波形830同步于峰值。类似地，激光功率波形830保持在峰值直到弧焊电流波形820上升到第二阈值水平(约350安培)之上，在那时，激光被命令来逐渐地减少其输出功率。所述激光输出和所述弧焊输出的这种协调可以用于将最终平均弧焊功率调整到比在焊接工艺期间不使用激光可以达到的水平更低的水平。
图9图示说明集成混合焊接电源900的第三示例性实施方案。集成混合焊接电源900包括弧焊电源910、激光电源920，以及可操作地连接到弧焊电源910和激光功率电源920以使这两个电源910和920的输出相协调的控制器930。控制器930可以包括集成焊接程序和基于状态的函数发生器。弧焊电源可以包括DSP和高速放大器逆变器，而激光电源可以包括DSP和高速电流源。
集成混合焊接电源900还包括激光反馈传感器或装置950，激光反馈传感器或装置950监控激光输出并且经由反馈通道955将激光参数反馈到控制器930。类似地，集成混合焊接电源900包括弧焊反馈传感器或装置960，弧焊反馈传感器或装置960监控弧焊输出并且经由反馈通道965将弧焊参数反馈到控制器930。
图9的集成混合焊接电源900可以提供图1的集成混合焊接电源100的协调精确性和灵活性，只是使用运行在控制器930内的基于单个状态的函数发生器上的单个集成焊接程序。
图10图示说明混合焊接系统1000的示例性实施方案。混合焊接系统1000包括弧焊电源1010和激光子系统1020。激光子系统1020可以为这样的成品激光子系统，所述成品激光子系统可以被控制电压输入1015引导来命令相应的激光功率水平。激光子系统1020包括激光电源1021和激光头1022。弧焊电源1010被可操作地连接到激光电源1021，以命令激光电源1021(例如经由控制电压)，并且激光电源1021被可操作地连接到激光头1022，以驱动激光头1022(例如经由产生所述受控激光功率水平的驱动电流水平)。激光电源1021可以包括低速电流放大器，而激光头可以包括激光二极管组和激光光学装置。混合焊接系统1000包括弧焊反馈传感器或装置1030，弧焊反馈传感器或装置1030监控弧焊输出并且经由反馈通道1035将弧焊参数反馈到弧焊电源1010。至少由于激光电源1021的较低带宽(反应速度)，这样的配置在弧焊输出和激光输出之间提供更加有限量的协调。
其他的激光和弧焊工艺实施方案也是可能的。例如，在弧焊应用中，激光装置、第一弧焊装置以及第二弧焊装置可以按顺序地相互连接(follow)。激光装置可以被用来预热或预处理焊缝并且所述第一和第二弧焊装置可以以串联的方式连接以提供用于焊缝的填充金属。例如，根据文本所描述的混合焊接技术，激光装置、第一弧焊装置以及第二弧焊装置可以全部通过第一弧焊装置的电源相协调。
根据本发明的实施方案，对于弧焊电源来说常用的协同控制被扩展到包括激光。利用单个控制点，弧焊电源和激光的功能被结合到统一的工艺中。用于调整一致的弧长度(arclength)的适应性表现(adaptive behavior)可以包括激光功率水平。例如，所述弧长度可以通过调试激光波长而被调整。一般地，期望的是，针对选定的焊丝输送速度保持恒定的弧长度(并且，因此，恒定的弧电压)。如果弧电压偏离期望的水平，则激光可以被用来，例如，对弧焊工艺进行加热，从而弧电压可以被重新用于控制。
另外，弧焊电流、弧焊电压、激光电源以及焊丝输送速度可以全部被绑定在一起并且利用单个控制旋钮来控制。例如，用于焊丝输送速度(因变量)的单个控制旋钮还可以基于预先定义的这些参数的关系表，自动地调节弧焊电流水平和/或持续时间、弧焊电压水平和/或持续时间以及激光功率水平和/或持续时间。这样的表还可以被绑定到焊丝材料和焊丝参数。
根据本发明的其他实施方案，集成混合焊接电源可以提供单组工具，用于发展协调的控制。所述单组工具可以包括输出函数编辑器和高速数据采集系统，所述输出函数编辑器允许单个状态和状态过渡被限定，并且允许焊接程序被生成。
总之，公开了用于控制混合焊接工艺的系统和方法。集成混合焊接电源包括用于提供第一焊接输出的第一电源，以及用于提供第二焊接输出的第二电源。所述第一电源和所述第二电源被可操作地连接，以在并行地操作时实时地使所述第一焊接输出与所述第二焊接输出相协调。
尽管已经参照某些实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以进行各种改变并且等同方案可以被替代，而不偏离本发明的范围。另外，可以进行许多修改来使特定情形或材料适用于本发明的教导，而不偏离其范围。因此，并不意图将本发明限于所公开的特定实施方案，本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方案。
参考标号：

Claims (13)

1.一种集成混合弧焊和激光焊接电源(100，900，1000)，所述集成混合弧焊和激光焊接电源(100)包括：
弧焊电源(200，920，1020)，所述弧焊电源(200，920，1020)能够提供用于驱动弧焊设备的弧焊输出(130)；
激光焊接电源(300，920，1020)，所述激光焊接电源(300，920，1020)能够提供用于驱动激光焊接设备的激光焊接输出(140)，以及
高速通信接口，
其中所述弧焊电源(200)和所述激光焊接电源(300)经由所述高速通信接口被可操作地连接来提供双向通信，以在并行地操作时实时地使所述弧焊输出(130)与所述激光焊接输出(140)相协调，从而所述弧焊输出的下一个输出被所述激光焊接输出的当前输出影响并且所述激光焊接输出的下一个输出被所述弧焊输出的当前输出影响，
其中所述弧焊电源被配置来监控弧焊反馈信息和弧焊状态信息，并且经由所述双向通信将所述弧焊反馈信息和所述弧焊状态信息提供给所述激光焊接电源，并且
其中所述激光焊接电源被配置来监控激光焊接反馈信息和激光焊接状态信息，并且经由所述双向通信将所述激光焊接反馈信息和所述激光焊接状态信息提供给所述弧焊电源。
2.如权利要求1所述的集成混合弧焊和激光焊接电源(100)，其中所述弧焊电源(200)包括基于第一状态的函数发生器并且所述激光焊接电源(300)包括基于第二状态的函数发生器，两者均以公共时钟信号(999)操作，并且其中所述弧焊输出(130)和所述激光焊接输出(140)以所述公共时钟信号(999)的逐个时钟周期为基础被实时地协调。
3.如权利要求1所述的集成混合弧焊和激光焊接电源(100)，其中所述弧焊电源(200)包括基于第一状态的函数发生器(220)并且所述激光焊接电源(300)包括基于第二状态的函数发生器(320)，并且其中所述弧焊输出(130)和所述激光焊接输出(140)以逐个状态为基础被实时地协调。
4.如权利要求1所述的集成混合弧焊和激光焊接电源(100)，其中所述弧焊电源(200)包括基于第一状态的函数发生器(220)并且所述激光焊接电源(300)包括基于第二状态的函数发生器(320)，并且其中所述弧焊输出(130)和所述激光焊接输出(140)以逐个焊接段为基础被实时地协调。
5.如权利要求1所述的集成混合弧焊和激光焊接电源(100)，其中，至少部分响应于所述弧焊反馈信息和所述弧焊状态信息，所述弧焊输出(130)和所述激光焊接输出(140)中的至少一个被实时地改变。
6.如权利要求1所述的集成混合弧焊和激光焊接电源(100)，其中，至少部分响应于所述激光焊接反馈信息和所述激光焊接状态信息，所述弧焊输出(130)和所述激光焊接输出(140)中的至少一个被实时地改变。
7.如权利要求1所述的集成混合弧焊和激光焊接电源(100)，其中，至少部分响应于由所述激光焊接电源(140，130)生成的激光焊接波形，所述弧焊输出被实时地改变。
8.如权利要求1所述的集成混合弧焊和激光焊接电源(100)，其中，至少部分响应于由所述弧焊电源生成的弧焊波形，所述激光焊接输出被实时地改变。
9.一种集成混合弧焊和激光焊接电源(100)，所述集成混合弧焊和激光焊接电源(100)包括：
提供用于驱动弧焊设备的弧焊输出(130)的装置；
提供用于驱动激光焊接设备的激光焊接输出(140)的装置，其中用于提供激光焊接输出(140)的所述装置和用于提供弧焊输出(130)的所述装置并行地操作；以及
用于提供实时地使所述弧焊输出(130)与所述激光焊接输出(140)相协调的双向通信的装置，从而所述弧焊输出的下一个输出被所述激光焊接输出的当前输出影响并且所述激光焊接输出的下一个输出被所述弧焊输出的当前输出影响，
用于监控弧焊反馈信息和弧焊状态信息并且经由用于提供双向通信的所述装置将所述弧焊反馈信息和所述弧焊状态信息提供给用于提供激光焊接输出的装置的装置，以及
用于监控激光焊接反馈信息和激光焊接状态信息并且经由用于提供双向通信的所述装置将所述激光焊接反馈信息和所述激光焊接状态信息提供给用于提供弧焊输出的装置的装置。
10.如权利要求9所述的混合弧焊和激光焊接电源，还包括用于提供至少所述弧焊输出(130)和所述激光焊接输出(140)的协同控制的装置。
11.一种用于控制混合焊接工艺的方法，所述方法包括：
生成用于驱动弧焊设备的弧焊输出(130)；
与所述弧焊输出(130)同时生成用于驱动激光焊接设备的激光焊接输出(140)；以及
提供实时地使所述弧焊输出(130)与所述激光焊接输出(140)相协调的双向通信，从而所述弧焊输出(130)的下一个状态被所述激光焊接输出(140)的当前状态影响，并且所述激光焊接输出(140)的下一个状态被所述弧焊输出(130)的当前状态影响，
监控弧焊反馈信息和弧焊状态信息并且经由用于提供双向通信的所述装置将所述弧焊反馈信息和所述弧焊状态信息提供给用于提供激光焊接输出的所述装置，以及
监控激光焊接反馈信息和激光焊接状态信息并且经由用于提供双向通信的所述装置将所述激光焊接反馈信息和所述激光焊接状态信息提供给用于提供弧焊输出的所述装置。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述状态由至少一个基于状态的函数发生器的时钟周期，至少一个基于状态的函数发生器的状态数字和相关联的条件及定义，和/或所述弧焊输出(130)和所述激光焊接输出(140)的焊接段来定义。
13.如权利要求11至12中的一项所述的方法，还包括，响应于所述弧焊反馈信息，所述激光焊接反馈信息，所述弧焊状态信息，和/或所述激光焊接状态信息，改变所述弧焊输出(130)和所述激光焊接输出(140)中的至少一个。
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