CN103747908A - 改进的串联弧焊和单侧串联弧焊的改善控制 - Google Patents

Abstract

用于沿着金属工件的两个边缘之间的凹槽沉积焊缝金属的电弧焊接系统（1200），其中所述系统包含第一电源供应器（1210）和第二电源供应器（1220），所述第一电源供应器（1210）和第二电源供应器（1220）的每个提供焊接波形至各自的焊接焊条。这两个电源供应器（1211、1221）的正输出端子被耦合到同一导电嘴（750）并且电源供应器中的一个的负输出端子没有被耦合到工件（W）。

Description

改进的串联弧焊和单侧串联弧焊的改善控制

优先权

本申请是2006年1月9日递交的美国专利申请No.11/327,736的部分继续申请并且要求该美国专利申请No.11/327,736的优先权，该美国专利申请No.11/327,736的全部内容通过引用被完全并入本文；并且，本申请是2006年8月21日递交的美国申请No.11/465,999的部分继续申请并且要求该美国申请No.11/465,999的优先权，该美国申请No.11/465,999是2004年1月12日递交的美国申请No.10/754,836的继续申请，该美国申请No.11/465,999和No.10/754,836的全部内容通过引用被完全并入本文。

发明的领域

本发明涉及电弧焊接领域，并且更具体地，涉及改善的串联弧焊和改进的串联弧焊。

通过引用的并入

本发明的实施方案涉及这样的电弧焊接系统，该电弧焊接系统使用高容量交流电路电源来驱动具有在大金属坯件的缝焊中所使用的类型的两根或更多根纵排（tandem）焊条。尽管本发明可以与具有改变输出极性的开关的任何标准AC电源供应器一起使用，示例性实施方案使用具有在Stava的美国专利No.6,111,216中所公开的开关概念的电源供应器，在该美国专利No.6,111,216中电源供应器是具有两个大型输出极性开关的逆变器，电弧电流在开关使极性反向之前被减小。电源可以是以高开关速度工作的斩波器。因此，术语“开关点（switching point）”是一复杂过程，其中使电源供应器先被关闭，等待电流小于预先选定的值（例如100安培）。一旦达到100安培的阈值，则电源供应器的输出开关被翻转来使来自逆变器的D.C.输出链路的极性反向。因而，“开关点”是用于电源供应器逆变器的切断输出命令（被称为“终止（kill）”命令），在其后的开关命令使输出极性反向。终止输出可以是到被减少的电流水平的下降。这一过程在每个连续极性反向处重复，所以AC电源供应器仅使低电流处的极性反向。以这一方式，用于输出极性控制开关的骤停电路（snubbing circuit）在尺寸上被减小或者消除该骤停电路。由于这一开关概念很好地限定了如本发明中所使用的开关点，所以Stava的美国专利No.6,111,216通过引用被并入，就好像在此进行了完全地阐述。用于纵排焊条的AC电流的概念在本领域中是公知的。美国专利No.6,207,929公开了这样的系统，其中纵排焊条每个通过单独的逆变器型电源供应器供电。频率是变化的来减少邻近的纵排焊条中的交流电流之间的干扰。事实上，受让人的这一现有专利涉及用于驱动由DC供电的焊条（其后有AC焊条）或者两根或更多根AC驱动的焊条的单个电源。在每种情况下，单独的逆变器型电源供应器被用于每根焊条并且在交流电流高容量电源供应器中，采用Stava的美国专利Pat.No.6,111,216的开关点概念。用于以单独的高容量电源供应器单独地驱动纵排焊条中的每根的这一系统对于本发明来说是背景信息并且被并入本文作为这样的背景。以类似的方式，美国专利No.6,291,798公开另一弧焊系统，在该弧焊系统中处于纵排焊接操作的每根焊条由并联连接的两个或更多个独立的电源供应器利用单个焊条电弧（electrode arc）驱动。该系统包括具有两个或更多个准确平衡的电源供应器的单组开关，所述两个或更多个准确平衡的电源供应器形成到根据Stava的美国专利No.6,111,216操作的极性反向开关网络的输入。电源供应器中的每个由单个命令信号驱动，并且因此具有通过极性反向开关被合并和引导的相同的电流值。因为到焊条的所有的电流都通过单组开关，所以这种类型的系统需要大型极性反向开关。美国专利No.6,291,798的确示出针对单根焊条的电源供应器的主从组合，并且公开本发明所涉及的总体背景信息。出于这样的原因，该专利同样通过引用被并入，就好像在此进行了完全地阐述。针对利用受控的开关点操作纵排焊条的改善在Houston的美国专利No.6,472,634中被公开。该专利通过引用被并入。

本发明的纵排焊条如在Shutt的美国专利No.4,246,463中和俄亥俄州克利夫兰的林肯电气公司在题为“另一弧焊发展（Another Arc Welding Development）”的发表物中所公开的那样具有两根领先的焊条（leading electrode）。示出纵排弧焊机（即，焊机系统）的改进的串联领先焊条（lead electrode）修改版的这些项目通过引用被并入本文作为背景技术，无需被重复访问。

背景技术

焊接应用（例如管和板焊接）通常要求高电流并且使用由纵排焊条创建的数个电弧。由于两个邻近的纵排焊条之间的磁性相互作用，这样的焊接系统非常容易具有由电弧干扰造成的特定不一致问题。用于纠正由邻近的AC驱动的纵排焊条导致的不足之处的系统在Stava的美国专利No.6,207,929中被公开。在该现有专利中，AC驱动的焊条中的每根具有其自己的基于逆变器的电源供应器。每个电源供应器的输出频率是变化的，从而防止邻近的焊条之间的干扰。该系统针对每根焊条要求独立的电源供应器。当针对给定焊条的电流需求超过基于逆变器的电源供应器的电流额定值时，必须设计、创制和加工新的电源供应器。因而，用于操作纵排焊接焊条的这样的系统需要高容量或高额定值的电源供应器来根据进行管焊接的需要获得高电流。为减少对用于纵排操作的焊条的特定高电流额定值的电源供应器的需要，受让人开发了Stava的美国专利No.6,291,798中所公开的系统，其中每根AC焊条由并联连接的两个或更多个逆变器电源供应器驱动。这些并联的电源供应器使其输出电流在极性开关网络的输入侧合并（combine）。因而，当针对给定的焊条需要更高的电流时，使用两个或更多个并联的电源供应器。在该系统中，电源供应器中的每个一致地操作并且等同地具有输出电流。因此，焊接条件的改变所需的电流可以仅由单个单元的超过电流额定值的部分提供。电流平衡的系统曾的确兼顾了数个更小电源供应器的组合；然而，电源供应器在极性反向开关网络的输入侧则不得不并联连接。如此一来，针对每根焊条就需要大型开关。因此，这样的系统克服了在管焊接中所使用的类型的纵排焊接操作中针对每根焊条需要特定电源供应器的不足之处；但是，仍存在这样的不足之处，即开关必须是相当大的，并且输入并联的电源供应器必须通过由单个电流命令信号驱动而被准确地匹配。Stava的美国专利No.6,291,798的确针对将电流引导至每根纵排焊条的每个焊接单元使用了同步信号的概念。然而，该系统仍需要大型开关。这种类型的系统对于使焊接单元互连的以太网络中的操作曾是可用的。在以太网互连中，时序无法被准确控制。在所描述的系统中，针对给定焊条的开关时序仅需要基于时间被变换（shift），但不需要针对具体时间被准确地识别。因而，当使用以太网或互联网和以太网控制系统时，所描述的需要平衡电流和单个开关网络的系统已经成为获得在纵排弧焊操作中使用的高容量电流的方式。存在对由以太网络（具有或不具有互联网链路）控制焊机的期望。由于时序限制，这些网络决定了（dictate）仅使用通用同步技术类型的纵排焊条系统的使用。

这样的系统可以通过网络控制；然而，针对每个并联的电源供应器的参数可以不是变化的。单元中的每个可以只通过同步信号彼此偏移（offset）。这样的系统不适用于通过互联网和/或局域网控制的中央控制，因为仅仅在单元之间提供偏移的复杂网络不是有利的。Houston的美国专利No.6,472,634公开用于每根焊条的单个AC弧焊单元的概念，其中单元自身包括一个或更多个并联的电源供应器，所述并联的电源供应器中的每个具有其自己的开关网络。开关网络的输出然后被合并来驱动焊条。这允许针对系统中并联的各个电源供应器的极性反向使用相当小的开关。此外，相当小的电源供应器可以是并联的来建立到纵排焊接操作中所使用的数根焊条中的每根的高电流输入。在极性开关网络之后使用并联的数个独立受控的电源供应器来驱动允许网络（例如，互联网或以太网）的有益使用的单根焊条。

在Houston的美国专利No.6,472,634中，每个系统的较小电源供应器被并联连接来为单根焊条供电。通过利用高准确度接口协调每个并联的电源供应器的开关点，AC输出电流是来自并联的电源供应器的电流之和，所述来自并联的电源供应器的电流在极性开关之前没有被合并。通过使用这一概念，以太网络（具有或不具有互联网链路）可以控制焊接系统的每个并联的电源供应器的焊接参数（weld parameter）。开关点的时序通过新颖的接口被准确地控制，而被引导至每个电源供应器的控制器的焊接参数可以由不基于准确时间的以太网络提供。因而，互联网链路可以被用于将参数引导至焊接系统的各个电源供应器控制器来驱动单根焊条。不存在对针对每个电源供应器被编码的这些焊接参数的基于时间的准确度的需要。在优选实施方式中，开关点是电流降至最小阈值（例如，100安培）的“终止”命令等待检测。当每个电源供应器具有开关命令时，则它们进行开关。并联的电源供应器之间的开关点（无论是瞬时的还是包括具有等待延迟的“终止”命令的序列）通过接口卡被准确地协调，该接口卡具有小于10μs的准确度并且优选地在1-5μs的范围内。这一时序准确度协调并匹配并联的电源供应器中的开关操作以协调AC输出电流。

通过使用互联网或以太网局域网，利用高准确度数字接口卡，在用于并联的电源供应器的控制器所互连到的没有那么准确的信息网络上对每个电源供应器的焊接参数进行设定是可行的。因而，系统的各个并联的电源供应器的开关被协调。这是允许使用焊接系统的互联网和局域网控制的优点。该信息网络包括同步信号来启动处于选定相位关系的在纵排焊接操作中连接到数根焊条的数个弧焊系统。焊条的焊接系统中的每个使各个开关点准确地受控而系统被变换或延迟来防止不同焊条之间的磁性干扰。这允许使用公共信息网络驱动数根AC焊条。Houston的美国专利No.6,472,634系统对于利用AC电流为给定焊条供电的并联的电源供电器来说是尤为有用的。开关点通过准确接口被协调并且针对每个并联的电源供电器的焊接参数由通用信息网络提供。这一背景是由受让人开发并获得专利的技术并且不必仅仅因为在本文中被用作“背景”而构成现有技术。

作为Stava的美国专利No.6,207,929中的系统的特征，两个或更多个电源供应器可以驱动单根焊条。因而，系统包括用于第一电源供应器的第一控制器来通过生成具有极性反向开关点的开关信号使第一电源供应器在焊条和工件之间创建AC电流，所述开关信号相对于由第一控制器所接收的给定系统同步信号处于一般定时的关系。该第一控制器响应于被引导至第一控制的一组第一电源供应器特定参数信号以第一焊接参数被操作。提供至少一个从控制器，所述至少一个从控制器用于操作从电源供应器来通过使开关点的AC电流的极性反向而在同一焊条和工件之间创建AC电流。从控制器响应于到从控制器的第二组电源供应器特定参数信号以第二焊接参数操作。连接到第一控制器和第二或从控制器的信息网络包含用于两个控制器的数字第一和第二电源供应器特定参数信号以及系统特定同步信号。因而，控制器从信息网络接收参数信号和同步信号，所述信息网络可以是具有或不具有互联网链路的以太网络，或者仅仅是局域网。本发明涉及连接第一控制器和从控制器来通过来自第一或主控制器的开关信号控制第二或从电源供应器的开关点的数字接口。实践中，第一控制器在开关点开始电流反向。这一事件以高准确度被传送至从控制器来开始其电流反向过程。当每个控制器感测电弧电流低于给定数时，创建“就绪信号”。在来自所有并联的电源供应器的“就绪（ready）”信号之后，所有的电源供应器使极性反向。一旦每25μs接收到选通或查看命令则出现这样的情况。因此，开关是一致的并且具有小于25μs的延迟。因此，两个控制器都具有控制到单根焊条的AC电流的开关点的互连数据。相同的控制器从信息网络接收参数信息和同步信号，该信息网络在实践中包括互联网和以太网或局域以太网络的组合。数字接口的时序准确度小于约10μs并且优选地在基本上1-5μs的范围内。因此，驱动单根焊条的两个控制器的开关点在小于5μs内被命令。然后，开关实际上在25μs内出现。同时，相对不那么时间敏感的信息从信息网络被接收，所述信息网络同样连接到将AC电流驱动到纵排焊接操作中的单根焊条的两个控制器。25μs最大延迟可以被改变，但是低于开关命令准确度。

Houston的美国专利No.6,472,634中所公开的独特控制系统被用来控制主要用于管缝焊中和在Stava的美国专利No.6,291,798中所公开的纵排焊条的电源供应器。该Stava的专利涉及沿焊接路径可移动以在成卷的管的边缘或两个邻近的管部分的端部之间的空间中置放连续焊道（welding bead）的一系列纵排焊条。该独特技术中所使用的各个AC波形由以至少18kHz的频率出现的许多电流脉冲创建，其中每个电流脉冲的大小受控于波成形器。该技术追溯到Blankenship的美国专利No.5,278,390。两个邻近的纵排焊条的AC电流中的波形的成形是已知的并且不仅在上面提到的专利中被示出，而且在Stava的美国专利No.6,207,929中也被示出。在这后一Stava的专利中，邻近的纵排焊条的AC电流的频率被调节来防止磁性干扰。俄亥俄州克利夫兰的林肯电气公司的所有这些已授权的技术在纵排焊条的操作方面已获得进展，纵排焊条中的每根通过由这些专利中所阐述的波形技术创建的单独的AC波形被操作。这些专利通过引用被全部并入本文。然而，这些专利没有公开本发明，本发明涉及使用这样的波形技术来用于通过邻近的焊条的纵排焊接，每个邻近的焊条使用AC电流。这一技术（如通常的变压器技术）在控制焊缝熔池的动态方面经历了困难。因而，存在对用于邻近的纵排焊条的电弧焊接系统的需要，该系统在焊接操作期间具体地被设计来控制熔融焊缝熔池的动态和物理性质。这些优点是仅通过改变频率以减少磁性干扰所无法获得的。

为控制纵排电弧焊接或焊接系统中领先的焊条的熔深（penetration），独特领先的焊条布置已经被使用多年。初始概念涉及串联连接到电源的两根移动的领先的焊条，所以电流会从一根焊条的末端流到邻近的焊条的末端。这两根焊条都是朝向被焊接的工件的边缘之间的凹槽中的焊缝熔池处的公共点可移动的。通过使用串联布置，一根焊条被连接到电源的工件端子并且另一根被连接到常规焊条端子。所有的电源在焊条之间并且不在焊条和工件之间。因此，基本上不存在电弧力（arc force）。焊条被焊条之间的电流熔化。这提供了双倍熔敷率（deposition rate），到焊缝熔池的热输入明显减少。到熔池的热由此被减少。串联的焊条概念的不足之处在于熔深非常少。电弧没有延伸到工件。金属主要通过重力被沉积到工件的边缘之间的接合处。为通过两根串联的焊条增加领先的电弧的熔深，落后的焊条（trailing electrode）也被连接到机器接地。这一概念在Shutt的美国专利No.4,246,463中被公开。在这一布置中，电弧在两根焊条之间行进并且从领先的焊条行进到工件。利用两根3/16英寸的焊条，改进的串联电弧系统使电流从领先的焊条流过两条路径回到电源。电流要么到达落后的焊条，要么到达工件。实践中，从领先的焊条回到电源的电流比率大致如下：1/3通过工件，2/3通过焊条。工件在返回并联电路中实质上具有更多电阻。这一布置使熔敷率翻倍。进入板或工件的电流的量为焊接操作的总电流的约30%。因此，存在双倍熔敷率并且进入板的热减少。两根领先的焊条的改进的串联电路连接造成熔深。厚工件的该单侧焊接并未得到广泛使用，因为串联连接的焊条中的AC电流的频率受控于电源的线路频率（line frequency）。用于焊条中的每根的焊丝送进器受控于同一电源。这限制驱动焊丝送进器的两个马达的关系。电源的输入电压和频率被用来驱动这两个焊丝送进器。因此，使用现有技术的系统其所有明显的优点仅可以在相当小的电流范围内并且仅利用特定受限的焊条尺寸才能得以实现。因而，使用现有技术受到约束。为了适合的熔化、熔深和焊丝送进速度，不得不对电流和输入频率进行调整。电源的参数和两个被独立驱动的焊丝送进器的相互关系使得其中两根焊条被串联连接并且由AC电流驱动的纵排电弧焊机的有益的现有焊接技术是相当受限的。因为该技术的应用受限，所以不曾有可能针对通用的电弧焊接出售串联连接的纵排焊条设备。因此，改进的串联连接焊条在纵排焊接系统中的优点在该系统存在的多年间基本上从未发挥作用。

发明内容

为提出普遍可接受的且可使用的纵排电弧焊机或系统，开发了本发明，该纵排电弧焊机或系统具有被连接在改进的串联电路中的两根领先的焊条。通过使用本发明的实施方案，大型板可以以埋弧焊操作从一侧被焊接，其中电弧力导致熔深，而串联连接的焊条大大增加熔敷（depostion）。通过使用本发明的实施方案，根焊道（root weld bead）由两根串联连接的领先的焊条沉积。这将工件的两个间隔的边缘接合在一起。实践中，大型板是船只薄板或者管焊接中的管段部分的端部。本发明的实施方案修改针对纵排焊接的公知的串联连接的领先的焊条概念，从而这样的焊机可以与各式各样的电流和在尺寸和材料两方面各式各样的焊条一起使用。这是电弧焊接领域的一大进步并且解决埋弧焊中无法在一侧使用改进的串联连接的纵排焊条。改进方式可以用在其他类型的焊接中。

根据本发明的实施方案，提供了用于沿着金属工件的两个边缘之间的凹槽沉积焊缝金属的电弧焊机。所述焊机包括由焊丝送进器朝向凹槽中的一点驱动的焊条。第二焊条由第二焊丝送进器朝向凹槽中的同一点驱动。主电源被连接到焊条，其中电源的第一输出端子连接到第一焊条并且主电源的第二输出端子连接到第二焊条且直接地或间接地连接到金属工件。焊机包括两条返回路径，一条通过第二焊条，一条通过工件。电源包括高速开关输出级，例如逆变器斩波器。该级在主电源的第一输出端子和第二输出端子之间创建具有选定AC波形的电流。主电源的波形由波形发生器生成，所述波形发生器控制脉冲宽度调制器电路（通常为数字电路，但是在某些情形中，其为模拟PWM电路）。脉冲宽度调制器电路（数字或模拟）确定主电源的输出级的电流操作。装置被用来沿着所述凹槽在给定方向上一致地移动所述焊条。这些焊条形成纵排焊条电弧焊机或电弧焊接系统中的领先的焊条。根据本发明的示例性实施方案，第三、第四或第五焊条被连接在第一和第二串联连接的焊条之后。这些后面的焊条中的每根与第一串联连接的焊条一起是可移动的。实践中，它们在同一机构或牵引器（tractor）上是可移动的；然而，它们可以是单独地被移动而仍是与第一和第二串联连接的焊条一起“基本上是可移动的”。第三或后续焊条每根由与主电源不同的辅助电源供电，其中第一输出端子连接到第三焊条并且第二输出端子连接到工件。这是针对纵排焊接操作的落后的焊条的标准连接。

本发明的又另一方面提供如上所限定的电弧焊机，其中用于落后的焊条的辅助电源还包括高速开关输出级，例如逆变器或斩波器。该输出级在辅助电源的第一和第二输出端子之间创建选定的落后的波形。辅助电源的落后的波形由波形发生器生成，所述波形发生器控制脉冲宽度调制器电路（数字或模拟），来确定辅助电源的输出级的电流操作。如在现有技术中所示的，电源的数目可以根据落后的焊条的数目而改变。事实上，一个电源可以操作两根落后的焊条或者两个电源可以操作单根落后的焊条。这些都是在如通过引用被并入本文的各个专利中所限定的纵排电弧焊接中所使用的变化方式。

根据本发明的方面，落后的焊条的落后的波形也是AC波形，例如在根据本发明的方面所构造的电焊机的串联连接的领先的焊条中所使用的。当然，落后的焊条可以具有这样的波形，所述波形为波形发生器创建的DC波形，所述波形发生器产生稳定输出信号来确定DC波形的大小。在这一情形中，波形是电流的水平，而“波形（waveform）”在本申请中主要被用来意指重复的AC波形。

根据本发明的另一方面，主电源包括与主电源的输出端子并联连接的第一和第二模块电源。为提供更大的电流，第二模块与第一模块并联连接。两个电源模块被限定为驱动本发明的串联连接的领先的焊条的“主”电源。在示例性实施方式中，第二电源被串联连接在第二焊条和工件之间。在该布置中，主电源的一个端子和第二电源的端子被串联连接并且连接到第二焊条。第二电源在工件路径中。通过使用两个电源，用于两根串联连接的焊条的单独的被独立驱动的焊丝送进器可以被不同的电源控制。这避免了当单个电源被用来驱动用于本发明的领先的焊条的单独的两个焊丝送进器时的复杂的软件开发。因此，使用两个单独的电源具有优点，电源中的每个具有焊丝送进控制电路，所述焊丝送进控制电路可以被调节来优化形成通过本发明获得的纵排焊接系统的领先的焊条的串联连接的焊条中的每根的焊丝送进器。

本发明的实施方案主要用于大型板上的一侧的焊接。在本文中，本发明还包括在接纳焊缝金属的凹槽之下的背板的概念。背板在工件的下侧上，并且通常提供具有控制背侧焊道结构的焊剂的槽。根据一方面，在落后的焊条前面具有焊剂分发器。因而，落后的焊条被用于埋弧焊。实践中，第一串联焊条是被气体保护的或者被提供有焊剂分发器来针对第一两根焊条创建埋弧焊工艺。

通过使用本发明的实施方案，主电源的波形发生器被提供有用于调节串联连接的领先的焊条之间的AC波形的频率的电路。以这种方式，串联连接的焊条中所使用的AC波形的频率不以任何方式由主电源的线路电压（line voltage）的频率决定。通过调节波形的频率，针对串联连接的焊条的焊接操作可以被模块化来适应不同直径的焊条、具有不同材料的焊条以及各式各样的电流，从而以现有技术中所无法获得的方式定制焊接操作。此外，本发明的波形发生器具有用于调节来自主电源的AC波形的占空比的电路。因而，焊接操作在熔深和熔敷之间可以被调节以定制焊接工艺的操作。为实现这一目的，波形的正电流部分的大小被独立地控制或者以作为AC波形的负部分的大小的百分比的方式被控制。所有这些调节电路允许主电源在频率、占空比和/或幅值方面被调节，以定制焊机来提供优化的焊接工艺，而仍采用非常有利的串联连接的焊条。

本发明的实施方案的主要目的在于提供纵排电弧焊机，其中领先的焊条被串联连接，该焊机包括两个串联连接的焊条中的AC电流波形，该波形可以被调节来定制由纵排焊条焊机中的领先的焊条执行的焊接操作。

本发明的实施方案的另一目的在于提供如上面所限定的电弧焊机，该电弧焊机可以使用不同的焊条和不同的电流设置来利用串联连接的领先的焊条执行AC弧焊工艺。

本发明的实施方案的又另一目的在于提供如上面所限定的电弧焊机，该电弧焊机具有调节波形的频率、波形的占空比和/或波形的正和负部分中的电流的大小的能力，从而由领先的串联连接的焊条执行的焊接工艺被定制。

从下面的说明和权利要求书连同附图可知，这些和其他目的、特征和优点将会变得明显。

附图说明

通过参照附图具体描述本发明的示例性实施方案，本发明的上面和/或其他方面将会更加明显，在所述附图中：

图1是用于实践本发明的示例性实施方案的焊机的框图；

图2是两个并联的电源供应器的布线图，每个电源供应器包括电源供应的开关输出；

图3是用于焊接管的缝的三根纵排焊条的剖面侧视图；

图4是使用Houston的美国专利No.6,472,634和Stava的美国专利No.6,291,798中的公开内容用于三根焊条的焊接系统的框形式的示意图；

图5是由如图4中所示的系统驱动的单根焊条的框图，所述系统具有Houston的美国专利No.6,472,634中所公开的可变脉冲发生器；

图6是两个被图示说明的同步脉冲中的一个的电流路径并且示出用于一根纵排焊条的平衡的AC波形；

图7是叠加在信号上的电流示图，所述信号具有用于确定如在本发明的实践式实施方案中所使用的波形的极性的逻辑；

图8是示出在本发明的示例性实施方案中所使用的波形的广泛方面的电流示图；

图9和图10是图示说明在纵排焊条的并发（concurrent）极性关系期间焊缝熔池的动态的示意图；

图11是示出两根邻近的纵排焊条上的波形的一对电流示图；

图12是具有并发极性关系区域的邻近的纵排焊条上的AC波形的一对电流示图；

图13是邻近的纵排焊条上的波形的电路示图，其中一根焊条的AC波形实质上不同于另一根焊条的波形，以限制并发极性关系的时间；

图14是用于邻近的焊条的两个正弦波的电流示图以针对邻近的纵排焊条使用以不同方式成形的波形；

图15是示出在纵排焊条的四个邻近的AC电弧处的波形的电流示图，所述波形根据焊机被成形和同步，所述焊机是根据本发明的示例性实施方案构造的；

图16是软件程序的示意图，所述软件程序用于一旦协调的开关命令已经被处理并且下一一致的信号已经被创建则使并联的电源供应器开关；

图17是本发明的示例性实施方案的总体架构的示意图；

图18是基本上沿着图17的线18-18获得的部分剖面视图；

图19是软件程序的示意图连同以图解方式图示说明在本发明的示例性实施方案中使用的主电源的操作；

图20是本发明的示例性实施方案的部分侧面正视图，只图示说明在本发明中与主电源的改进方式一起使用的领先的串联连接的焊条；

图21是类似于图20的视图，示出现被用于本发明的主电源和工件路径的示例性实施方案和实际的实施方案；

图22是本发明的另一示例性实施方案的示意图；

图23是根据本发明的实施方案的焊接接触件（contact）的小车组件的示意图；

图24是本发明的示例性实施方案的另一示意图；

图25和26是描绘波平衡的示图；

图27是描绘电流偏移的示图；以及

图28是描绘相位角移位（shift）的示图。

具体实施方式

现在参照附图，其中示图仅仅是出于图示说明本发明的示例性实施方案的目的，而不是限制本发明的示例性实施方案的目的，用于实践本发明的系统在图1、图2和图16中被具体示出。在图1中，单个电弧焊接系统S具有单个单元的形式，来在焊接工位WS创建交流电流作为电弧。该系统或单元包括具有输出引线10、12的第一主焊机A，所述输出引线10、12与焊条E和工件W串联，所述焊条E和工件W具有管缝接合或其他焊接操作的形式。霍尔效应电流换能器14在线路16中提供与焊机A的电流成比例的电压。诸如焊接参数的不那么时间临界的数据（less time critical data）在远端中央控制装置18被生成。以类似的方式，从后焊机B包括与引线10、12并联连接的引线20、22，以将附加AC电流引导至焊接工位WS。在焊接操作期间，霍尔效应电流换能器24在线路26中创建表征焊机B中的电流水平的电压。即使单个从或较后的焊机B被示出，任何数目的附加焊机可以与主焊机A并联连接，来产生跨焊条E和工件W的交流电流。AC电流在焊接工位而不是在极性开关网络之前被合并。每个焊机包括被图示说明为组合的主控制器和电源供应器30以及从控制器和电源供应器32的基于控制器和逆变器的电源供应器。控制器30、32从相对低水平的逻辑网络接收参数数据和同步数据。参数信息或数据是电源供应器专用的，由此电源供应器中的每个被提供有期望的参数，例如电流、电压和/或焊丝送进速度。低水平数字网络可以提供参数信息；然而，同时出现用于极性反向的AC电流。“同时”是指少于10μs的时间差并且优选地在1-5μs的一般范围内。为实现来自电源供应器30和电源供应器32的AC输出的精确协调，开关点和极性信息不能从时序欠精确的通用逻辑网络被提供。各个AC电源供应器以高速度、高准确度的DC逻辑接口（被称为“网关（gateways）”）来协调。如图1中所示的，电源供应器30、32分别被提供有由双向引线42m、42s指示的必要操作参数。这一非时间敏感的信息由图1所示的数字网络提供。主电源供应器30接收由单向线路40指示的同步信号，以定时其AC输出电流的控制器操作。电源供应器30的AC电流的极性如线路46所表示地被输出。用于主电源供应器30的AC电流的实际开关命令在线路44上被输出。该开关命令告诉逆变器形式的电源供应器S要“终止”，这是电流的急剧减小。在可替换的方式中，这实际上为使极性反向的开关信号。线路44上的“开关点”或命令优选的是“终止”命令和使用如Stava的美国专利No.6,111,216中所阐述的“开关点”的电流反向命令。因而，定时的（timed）开关点或命令通过线路44从电源供应器30被输出。这些开关点或命令可以包括在低电流或仅仅一电流反向点跟随有开关就绪信号的电源供应器“终止”。当“终止”概念被实施时，开关“就绪”被使用，因为直到这些逆变器低于设定电流才有逆变器实际反向。这一点在图16中被描述。控制器30的开关的极性控制线路46上的逻辑。从电源供应器32接收线路44b上的开关点或命令逻辑和线路46b上的极性逻辑。这两个逻辑信号通过在线路44a、46a上被示为网关50（发送网关）和网关52（接收网关）的高准确度逻辑接口，在主电源供应器和从电源供应器之间互连。这些网关为用于电源供应器中的每个的网络接口卡，从而线路44b、46b上的逻辑分别被定时为接近线路44、46上的逻辑。实践中，网络接口卡或网关50、52将该逻辑控制为在10μs内，并且优选地在1-5μs内。低准确度网络针对通过线路42m、42s来自中央控制装置18的数据（图示说明为由网关或接口卡提供）控制各个电源供应器。这些线路包含来自远端区域（例如中央控制装置18）的数据，这些数据不是时间敏感的且没有利用网关的准确特性。用于对开关反向进行定时的高度准确数据使用通过网络接口卡50、52互连的逻辑信号。图1中的系统为一用于单个AC电弧的单个单元；然而，本发明的实施方案涉及这样的纵排焊条，其中两个或更多个AC电弧被创建来填充管焊接中发现的大空隙。因而，用于第一焊条的主电源供应器30接收同步信号，所述同步信号确定系统S针对第一焊条的时序或相位操作，即电弧1（ARC1）。系统S和其他相同的系统一起使用，以生成由同步输出84、86和88定时的电弧2（ARC2）、电弧3（ARC3）和电弧4（ARC4）。这一概念在图5中被图解地描述。图1中仅以纵排焊条中的一根示出同步或相位设置信号82-88。包括中央控制计算机和/或网络服务器（web server）60的信息网络N提供数字信息或数据，所述数字信息或数据与在纵排操作中控制不同焊条的多个系统或单元中的具体电源供应器相关。因特网信息62被引导至局域网，所述局域网具有拥有局域互连线路70a、70b、70c的以太网络70的形式。类似的互连线路被引导至在创建纵排焊接操作的电弧1、电弧2、电弧3和电弧4的四个单元中使用的每个电源供应器。系统或单元S的描述适用于其他焊条处的每个电弧。如果采用AC电流，使用主电源供应器。在某些情形中，仅有主电源供应器与单元特定同步信号一起使用。如果需要更高的电流，则系统或单元包括如结合图1的系统S所描述的主从电源供应器组合。在某些情形下，DC电弧与通过发生器80同步的两个或更多个AC电弧一起使用。通常，DC电弧是纵排焊条焊接操作中的领先的焊条，紧接着有两个或更多个同步的AC电弧。DC电源供应器不需被同步，也不需极性逻辑和开关点或命令的准确互连。一些DC供电的焊条可以在正和负之间切换，但不是以AC驱动的焊条的频率切换。与电弧的构成无关，以太网或局域网70包括参数信息，所述参数信息以在纵排焊接操作中使用的各种系统的特定电源供应器所指定的编码方式被识别。该网络同样采用针对多个单元或系统的同步信号，从而系统可以在时间关系上偏移。如图1中的线路40所表示的，这些同步信号被主电源供应器解码和接收。以这一方式，AC电弧基于时间偏移。这些同步信号不需要和通过网络接口卡或网关50、52的开关点一样准确。数据网络上的同步信号被具有可变脉冲发生器形式的网络接口接收。发生器在线路84、86和88中创建偏移同步信号。这些同步信号决定用于纵排操作中的单独的焊条的各个交流电流单元的相位。同步信号可以由接口80生成或者实际上由发生器通过网络70接收。实践中，网络70仅激活发生器80，从而为许多同步信号创建延迟模式（delay pattern）。同样，发生器80可以以同步脉冲的频率改变各个单元的频率，如果该特征是在纵排焊接操作中所期望的。

各式各样的控制器和电源供应器可以用来实践图1所描述的系统；然而，该系统的示例性实施方式在图2中被阐述，其中电源供应器PSA与控制器和电源供应器30结合，电源供应器PSB与控制器和电源供应器32结合。在适当的时候，这两个单元在结构上基本上相同，且标注相同的数字。电源供应器PSA的描述等同地适用于电源供应器PSB。逆变器100具有输入整流器102，来接收三相线路电流L1、L2和L3。输出变压器110通过输出整流器112连接到用于驱动相反的极性开关Q1、Q2的抽头电感120。除了控制器140a输出时序信息给控制器140b之外，电源供应器PSA的控制器140a和PSB的控制器140b基本上相同。如在通过引用被并入本文的Stava的美国专利No.6,111,216中更详细解释的，开关点或线路142、144控制极性开关Q1、Q2的导通状况，来在由线路142、144上的逻辑所指示的时刻使极性反向。该控制是利用逻辑处理器的数字信号；因而，A/D转换器150将反馈线路16或线路26上的电流信息转换为针对误差放大器152的输出水平的控制数字值，该误差放大器152被图示说明为模拟误差放大器。实践中，这是数字系统并且在控制架构中没有进一步的模拟信号。然而，如图示说明的那样，放大器具有来自转换器150的第一输入152a和来自控制器140a或140b的第二输入152b。线路152b上的电流命令信号包括跨焊接工位WS处的电弧的AC电流所需的波形状或波形（wave shape or waveform）。这是林肯电气公司的多篇专利（例如通过引用被并入的Blankenship的美国专利No.5,278,390）所教导的标准实践方式。同样参见通过引用被并入的Stava的美国专利No.6,207,929。来自放大器152的输出被转换器160转换为模拟电压信号，来以振荡器164控制的频率驱动脉冲宽度调制器162，该过程是处理器软件中的定时器程序。电弧处波形的形状是线路152b处的电压或数字。振荡器164的频率大于18kHz。该系统的总架构在本发明的优选实施方案中被数字化并且不包括恢复回模拟信号的转换。这一表征方式是出于示例说明目的的示意图而不意图限制在实践本发明时所使用的电源供应器的类型。可以采用其他电源供应器。

使用图1和2的概念的本发明的实施方案的实践方式在图3和图4中被图示说明。工件200为通过由单一电源供应器PS1、PS2、PS3分别供电的纵排焊条202、204、206焊接在一起的管中的缝。电源供应器可以包括根据Houston的美国专利No.6,472,634中的技术协调的多于一个的电源供应器。图示说明的实施方案涉及用于领先的焊条202的DC电弧和用于纵排焊条204、206中的每根的AC电弧。纵排焊条的创建的波形为AC电流并且包括由波成形器或波形发生器根据先前描述的波形技术创建的形状。当焊条202、204和206沿着焊接路径WP移动时，熔融金属熔池P被沉积在具有开口根部分210的管缝200中，接着分别从焊条202、204和206沉积212、214和216。如先前所描述的，超过两根的AC驱动的焊条如将通过图15的波形描述和图示说明的那样，可以通过关于邻近的焊条的AC电流的本发明操作。如图4中所示的，电源供应器中的每个包括从整流器222接收DC链路的逆变器220。根据林肯波形技术，芯片或内部编程的脉冲宽度调制器级224由振荡器226以大于18kHz并且优选地大于20kHz的频率驱动。当振荡器226驱动脉冲宽度调制器224时，输出电流具有由波成形器240输出的作为线路242上的电压或数字的波形状决定的形状。输出引线217、218和焊条202、204和206串联。实时形状通过被图示说明为比较器230的级与来自霍尔效应换能器228的线路232中的实际电弧电流进行比较，从而线路234上的输出控制AC波形的形状。线路234上的数字或电压确定线路224a上的输出信号以控制逆变器220，从而电弧的电流波形遵循从波成形器240输出的选定轮廓。这是如先前所讨论的标准的林肯波形技术。电源供应器PS1在领先的焊条202处产生DC电弧；因此，来自该电源供应器的波成形器240的输出是指示DC电流的大小的稳定状态。本发明的某些实施方案不涉及DC电弧的形成。相反地，本发明是用于诸如焊条204、206的纵排焊条的两个邻近的AC电弧的电流控制。根据本发明，波成形器240包括用于选择AC波形的期望形状或轮廓的输入250。该形状可以通过以图解的方式表征为移位程序252的内部编程被实时移位。波成形器240具有一输出，所述输出是线路254上的极性信号。实践中，极性信号是如图7中所示的逻辑比特。逻辑1表示由波成形器240生成的波形的负极，而逻辑0表示正极。被引导至电源供应器的逻辑信号或比特控制器220根据图16中所论述的技术被读取。逆变器在由线路254上的逻辑比特的改变启动的特定“就绪（READY）”时刻从正极切换至负极，或相反的切换。实践中，该比特从图1和图5中所示的可变脉冲发生器80接收。图3和图4中所示的焊接系统被用在本发明的实践方面，其中焊条204和206的AC电弧电流的形状具有新颖的形状以获得本发明的有益结果，即通用的静止熔融金属熔池P和/或与在电弧焊接中使用的变压器波形兼容的合成正弦波形。图3和图4中所示的电弧焊接系统具有一程序，以在用于波成形器240的“选择（SELECT）”程序250选择波形。以这一方式，本发明的独特波形被纵排焊条所使用。创建AC电弧的电源供应器中的一个在图5中被以图解的方式图示说明。如图1所示，电源供应器或电源通过可变脉冲发生器80控制。来自发生器的信号260控制用于第一电弧的电源供应器。该信号包括波形的同步以及在线路254上由波成形器240输出的极性比特。线路260a-260n控制由本发明的焊接系统操作期望的后续纵排AC电弧。这些信号的时序使其他波形的起始位置移位。图5仅示出可变脉冲发生器80的关系，以控制如结合图4所说明的连续电弧。

在Houston的美国专利No.6,472,634的焊接系统中，如图6中所示那样创建AC波形，其中用于焊条204处的电弧AC1的波成形器创建具有正部分272和负部分274的信号270。在焊条206处的第二电弧AC2通过来自波成形器的信号280控制，该信号具有正部分282和负部分284。如图6中所示的，这两个信号是相同的，但是被来自发生器80的信号移位一距离x。在电弧中的一个处由波形技术创建的电流脉冲或波形是具有在图6的底部部分示出的正部分290和负部分292的波形。来自波成形器的逻辑比特确定波形何时从正极切换至负极以及反向的切换。根据Stava的美国专利No.6,111,216（通过引用被并入本文）中的公开内容，脉冲宽度调制器224在点291a和291b一般地被移位至较低水平。然后，电流减少直至到达固定水平，例如100安培。因此，开关在点294a和294b改变极性。当电流在正部分290和负部分292之间过渡（transition）时，这产生垂线或形状296a、296b。这是在Houston的专利中公开的系统，其中类似的波形被移位以防止磁性干扰。波形部分290、292在电弧AC1和电弧AC2处相同。这不同于本发明，本发明涉及为了以至今为止还没有采用过的方式控制熔融金属熔池和/或合成一正弦波形状，定制电弧AC1和电弧AC2处的波形。图6的公开内容被阐述以示出使波形移位的概念，而不是本发明，本发明定制邻近的波形中的每个。创建极性之间垂直过渡的相同的开关过程被用于本发明的示例性实施方案。从图6所示的焊接系统转换到本发明的实施方案基本上在图7中被示出。线路254上的逻辑被图示说明为在部分300中为逻辑1并且在部分302中为逻辑0。逻辑或比特数的改变标志着（signal）图16中所图示说明的系统切换极性的时刻。这一点在图6的下部分示图中在点294a、294b处被以图解的方式图示说明。根据本发明的各方面，用于邻近的AC电弧中的每个的波成形器240具有用于极性中的一个的第一波形状310和用于另一极性的第二波形状312。波形310、312中的每个由与线路234上的逻辑一起获得的线路254上的逻辑创建。因而，如图7中所示的脉冲310、312针对正极部分和负极部分是不同的脉冲。脉冲310、312中的每个由如所示的单独的且不同的电流脉冲310a、312a创建。极性之间的切换如图6中所图示说明的那样被实现，其中由波成形器生成的波形被示出为具有波形310、312的一般形状。正极控制熔深，而负极控制熔敷。根据本发明，波形的正负脉冲是不同的且开关点被控制，从而在一个电弧处的AC波形在正极和负极二者中被控制以使由波成形器240的输出创建特定形状。针对邻近于具有图7中所示的电流的电弧的电弧的波形以不同的方式被控制，以获得本发明的优点。这一点在图8中最佳地图示说明。在电弧AC1处的波形位于图8的上部分中。其具有由电流脉冲320a示出的正部分320和由脉冲322a形成的负部分322。正部分320具有最大值a和宽度或时间段b。负部分322具有最大值d和时间或时段c。这四个参数由波成形器240调节。在图示说明的实施方案中，电弧AC2具有在图8的底部所示的波形，其中正部分330由电流脉冲330a形成并且具有高度或大小a'和时间长度或时段b'。负部分332由脉冲332a形成并且具有最大幅值d'和时间长度c'。这些参数由波成形器240调节。根据本发明的各方面，来自波成形器的电弧AC1上的波形与电弧AC2处的波形状相位不同。两个波形具有被调节的参数或尺寸，从而（a）熔深和熔敷被控制，并且（b）熔池P经历特定极性关系（为相同极性或相反极性）并没有很长时间。形成波形状中的这一概念避免了如图9和图10中的示图所说明的长期极性关系。在图9中，焊条204、206具有相同的极性，该极性由在任一给定时间的邻近的电流的波形确定。在该实例中，焊条204的磁通量350和焊条206的磁通量352在相同方向上，并且在焊条之间的中心区域354处相互抵消。如箭头c所表征的，这使得在熔池P中来自焊条204、206的熔融金属部分360、362一起移动。在焊条204之间的熔池P中的熔融金属的一起向内运动或塌陷，如果没有在非常短的时间（即小于20ms）内结束，则将最终导致向上的涌起动作。如图10中所示的，当焊条204、206具有相反极性时，发生熔池的相对运动。然后，磁通量370和磁通量372在焊条之间的中心部分374中积累并增加。焊条之间大的力使得熔池P的熔融金属部分364、366相互缩回或排斥。这由箭头r表示。熔池P中的熔融金属的这样的相外的力如果其持续一般为小于10ms的实质时间时，则将导致焊道的损坏。从图9和图10可见的，合乎期望的是，限制邻近的焊条处的波形的极性为相同极性或相反极性的时间。如图8中所示的，相同极性和相反极性维持非常短（比电弧AC1和电弧AC2处的波形的周期长度小）的时间。这一防止极性关系长期发生的有益发展以及在正负区域中具有不同形状和不同比例的脉冲的新颖的概念结合起来，以至今为止在利用常规的变压器电源供应器或林肯波形技术的常规使用的焊接中不可获得的方式，来控制熔池、控制熔深以及控制熔敷。

在图11中，来自波成形器240的AC波形的正和负部分是合成的正弦形状，与波形的负部分相比，正部分具有不同的能量。该合成的正弦波或波形的正弦部分使得波形是新颖的。这使得波形与变压器焊接电路是可兼容的并且与正弦波焊接的评估是可兼容的。在图11中，波形370在电弧AC1处并且波形372在电弧AC2处。这些纵排电弧使用图11中所示的AC焊接电流，其中小的正的正弦部分370a控制电弧AC1处的熔深，而较大的负部分370b控制电弧AC1处的金属沉积。如图7中所论述的，随着逻辑比特的改变，极性之间存在切换。如垂线370c所示的，正弦波形370从约100安培垂直下冲通过零电流。负部分370b和正部分370a之间的过渡同样在引起垂直过渡370d的开关点处开始垂直过渡。以类似的方式，电弧AC2的相移波形372具有小的熔深部分372a和大的负熔敷部分372b。极性之间的过渡由垂线372c和372d表示。波形372相对于波形370移位，从而熔池的动态被控制，而不会有由邻近的电弧AC1、AC2的极性导致的熔池中熔融金属的过度塌陷和排斥。在图11中所示的实施方案中，正弦波形状相同且频率相同。它们仅仅被移位来防止特定极性关系的长期发生。

在图12中，波形380被用于电弧AC1并且波形382被用于电弧AC2。部分380a、380b、382a和382b被正弦合成并且被图示说明为具有大体相同的大小。通过使这两个波形移位900，并发极性的区域被标示为区域390、392、394和396。通过使用具有正弦轮廓的移位的波形，相同极性或相反极性不会保持任意时间长度。因而，熔融金属熔池不被搅动（agitate）而保持静止。在给定波形的正极和负极部分之间能量不同的概念的这一优点。图12本质上是示例说明性的以示出并发极性关系的定义和它们应当仅保持短的时间段的事实。为实现这一目的，本发明的另一实施方案在图13中被图示说明，其中先前定义的波形380与被示出为电弧AC2（a）的锯齿波的波形400或者被示出为电弧AC2（b）的波形的脉动波形402结合。波形380和不同波形400或不同波形402的结合产生并发极性关系410、412、414等的非常小的区域或时间。在图14中，在一个电弧处生成的AC波形与在另一个电弧处生成的AC波形截然不同。在图14中图示说明了截然不同的波形的相同概念，其中波形420为AC脉冲轮廓波形，并且波形430为具有约为波形420的周期的一半的正弦轮廓波形。波形420包括小熔深的正部分420a和大熔深的熔敷部分420b，其具有直线极性过渡部分420c。波形430包括正部分430a和负部分430b，具有垂直极性过渡部分430c。通过具有这两个不同的波形，合成的正弦概念既用于一根焊条又不存在长期的并发极性关系。因而，在通过电弧AC1、AC2二者进行的焊接操作期间，熔池P中的熔融金属略为保持静止。

在图15中，波形450、452、454和456由用于四个纵排电弧（电弧AC1、电弧AC2、电弧AC3和电弧AC4）中每个的电源供应器的波成形器240生成。邻近的电弧如同步信号460所表示的那样对齐，所述同步信号限定何时波形相对应并且从负部分过渡到正部分过渡。除了开始脉冲被对齐之外，该同步信号由图1中所示的发生器80创建。在本发明的该实施方案中，第一波形450具有正部分450a，所述正部分450a与邻近的波形452、454和456的正和负部分二者同步。例如，正部分450a与波形452的正部分452a和负部分452b同步且相关。以类似的方式，波形452的正部分452a与波形454的的正部分454a和负部分454b同步且相关。相同的关系存在于正部分454a和波形456的部分456a、456b之间。负部分450b与对齐的波形452的两个相反极性部分同步并相关。相同的时序关系存在于负部分452b和波形454之间。换言之，在每个邻近的电弧中，波形的一个极性部分与该邻近的电弧的总波形相关。以这一方式，动态地（dynametically）控制了如结合图9和图10所论述的熔池P的塌陷力和排斥力。正部分或负部分中的一个或更多个可以是结合如图11和图12中公开的本发明的方面所论述的合成的正弦波。

如图1和图2中所示的，当开关的主控制器要进行开关时，开关命令被发送至电源供应器30的主控制器140a。这使得“终止”信号被主电源供应器接收，从而终止信号和极性逻辑被快速传送给与单根焊条并联连接的一个或更多个从电源供应器的控制器。如果标准AC电源供应器和与极性开关并联的大型缓冲器（snubber）一起使用，则从控制器或多个从控制器在主电源供应器接收开关命令之后的1-10μs内被立即开关。这是高准确度接口卡或网关的优点。实践中，用于并联的电源供应器的电流反向的实际开关直到输出电流低于给定值（即约100安培）时才发生。这允许使用更小的开关。

用于单个AC电弧的所有电源供应器的开关的实施方式使用延迟的开关技术，其中实际开关仅在所有电源供应器低于给定的低电流水平之后才发生。延迟处理在数字处理器的软件中完成并且通过图16的示意图被图示说明。当主电源供应器500的控制器接收如线路502所表征的命令信号时，电源供应器开始开关序列（switching sequence）。主电源供应器在线路504上输出逻辑，来为从电源供应器提供开关的期望极性，以与主电源供应器的极性开关相对应。在命令的开关序列中，主电源供应器500的逆变器被关闭或被调低（turn down），从而到焊条E的电流如霍尔效应换能器510所读取的那样是减小的。线路502中的开关命令使如由线路512所表征的立刻“停止”信号到并联的从电源供应器520、522的控制器，该从电源供应器520、522提供电流至如由霍尔效应换能器532、534所测量的节点（junction）530。开关序列中的所有电源供应器都使得逆变器关闭或调低。软件比较器电路550、552、554比较减小了的电流和由线路556上的电压表示的给定低电流。当每个电源供应器降低至低于给定值时，线路560、562和564中出现的信号分别到采样和保持电路570、572和574的输入。这些电路由线路580中的选通信号从电源供应器中的每个被输出。当设定的逻辑被储存在电路570、572和574中时，YES（是）逻辑在选通信号时候出现在线路READY1，READY2和READY3上。该信号在电源供应器中被生成并且具有25μs的周期；然而，可以使用其他高速选通装置。如图16中的虚线所示的，信号被引导至主电源供应器的控制器C。当所有电源供应器都准备好来切换极性时，由与（AND）门584表征的软件与功能在线路582上具有YES逻辑输出。该输出状况被引导至软件触发器（flip flop）600的时钟使能端子ECLK，该软件触发器600使其D端子被提供有当出现在线路504上时要被切换的极性的期望逻辑。操作于约1MHz的振荡器或定时器通过到端子CK的线路602上的信号为触发器提供时钟。这将线路504上的极性命令逻辑转移到Q端子604，以在线路610中提供该逻辑，来在线路612上的相同逻辑开关主电源供应器500时开关从电源供应器520、522。在开关之后，线路504上的极性逻辑被转换为相反的极性，而主电源供应器基于开关频率等待下一开关命令。可以使用其他电路来影响开关序列中的延迟；然而，图16中的示例方式是当前方案。

本申请的实施方案涉及由电弧电源供应器的波成形器或波形发生器控制的波形，所述电弧电源供应器包括与Houston的美国专利No.6,472,634或Stava的美国专利No.6,291,798中所公开的内容相关的单个电源或多个电源。本发明涉及由AC波形供电的纵排焊条。两根邻近的焊条具有控制焊条之间的熔融金属熔池的动态的波形和/或使用合成的正弦波来使纵排焊接系统的操作与标准变压器焊接操作相关。正部分和负部分中的不同能量通过特定焊条控制熔深的量和熔敷的量的关系。这允许邻近的焊条以维持焊缝熔池总体静止的方式的操作。这一动作改善所得的焊道并且提高焊接操作的效率。为控制焊缝熔池，由波成形器生成的邻近的波形具有不同的形状来控制邻近的焊条之间存在的给定的极性关系所持续的时间长度。换言之，邻近的焊条的波形具有相同极性或相反极性的时间通过在由使用波成形器或波形发生器的波形技术生成的两个邻近的AC波形之间使用不同形状和不同关系而受到限制。

如到目前为止所描述的，实践本发明的实施方案时所使用的技术被具体说明。图1-图16中的技术被用在本发明的示例性实施方案中。本发明的示例性实施方案包括在图17和图18中以图解的方式被图示说明的电弧焊机并且包括其中第一焊条E1和第二焊条E2以改进的串联方式连接的纵排电弧焊接。后续的焊条（其中之一被图示说明为焊条E3）以与焊条E1和E2一致的方式被驱动并且执行纵排焊接工艺。当然，通常使用数根落后的焊条E3。仅有一根落后的焊条D3被图示说明并且相同的公开内容涉及其他预期的落后的焊条。图1-图16中所描述的技术适用于电弧焊机700，所述电弧焊机700被用来在工件W的凹槽702中沉积金属。在图示说明的实施方案中，工件W是以小空隙b间隔的板710、712，其中边缘714、716在板B中限定具有角度718的槽704（在图18中最佳地示出）。焊条E1、E2被如图17中所示的那样布置并且朝向凹槽704中的一点（在图18中最佳地示出）。该点在电气接触件750之下并且限定伸出距离（stickout）h。现在更具地参照图17，机构720沿着凹槽702驱动领先的焊条E1、E2并且包括主电源722，所述主电源722具有输出端子724、726来以引线730、732的方式将AC电流引导至各自的焊条E1、E2。焊条分别从线轴（spool）被供应并且分别由标准的焊丝送进器760、762通过接触件750、752被驱动。焊丝送进器760包括由马达760c转动的驱动辊760a、760b。以类似的方式，焊丝送进器762包括由马达762c转动的驱动辊762a、762b。引线760d和762d二者由来自主电源722的线路764中的控制信号供电。电源是由俄亥俄州克利夫兰的林肯电气公司出售并且一般地在Blankenship的美国专利No.5,278,390中公开的Power Wave单元。电源722被用来控制焊丝送进器760、762二者。这造成限制，原因在于单个信号是从电源可获得的来驱动焊丝送进器。当出现这一情况时，线路764上的信号必须是焊条E1、E2的期望的焊丝送进速度之间的折中信号。实践中，线路764上的单个信号驱动这两个焊丝送进器。当然，软件可以被开发来以大量成本为代价为各个焊丝送进器提供单独控制。如图20和图21中所示的，当使用两个电源时创建针对焊丝送进器的单独的信号。引线732通过线路734被连接到接触件752并且通过线路736被连接到工件W。因而，焊条E1和电源722之间的电流通过低电阻线路734和高电阻线路736。在焊接工艺中，这些返回路径的电阻分割电流来调节电弧中的热和由电弧力形成的熔深。通过使用机构720，使用两根串联的焊条的高熔敷以低热来实现。在焊接操作期间，有限的电流量从焊条E1进入工件。该焊接工艺是根据本发明（通过图19中以图解的方式图示说明的电路）可控的。

根据本发明的示例性实施方案，如图17中所示的，至少一根焊条E3落后于焊条E1、E2。该落后的焊条由机构770以与焊条E1、E2一致的方式驱动，尽管它们可以由不同的机构移动。在示例性实施方案中，相同的移动装置被用于机构720、770。落后的焊条机构包括辅助电源772，所述辅助电源772是由俄亥俄州克利夫兰的林肯电气公司制造的PowerWave单元。该电源具有输出端子774、776来以线路780、782的方式引导AC电流波形，从而在焊接工艺中使用焊条E3。焊条E3由线轴784供应并且由与焊丝送进器760、762类似的焊丝送进器790通过接触件786驱动。焊丝送进器790具有由马达790转动的间隔的驱动辊790a、790b。来自电源772的线路792中的控制信号驱动马达790c来以由线路792中的信号确定的速度朝向工件W送进焊条E3。

在图17和图18中所图示说明的示例性实施方案的操作中，焊条E1、E2和落后的焊条E3在凹槽702中创建焊缝熔池800。焊条E1、E2创建第一根焊道（root pass）802，该焊道（bead）通过熔化凹槽702的向内伸出的部分而将边缘714、716接合或连结到一起。此后，熔池800通过由落后的焊条E3覆盖焊道804而被扩大。实践中，在图1-图16中所公开的纵排焊接工艺中，更多的焊条被用来填充凹槽702。实践中，焊条E3被用在这样的埋弧焊工艺中，所述埋弧焊工艺在焊条E3前面使用焊剂分发器810并且具有符合标准埋弧焊技术的用于通过管路（tube）816从料斗814分发焊剂F的分发马达812。当然，焊条E1、E2还用于埋弧AC焊接工艺。类似的焊剂分发器810则在焊条E1前面被提供于凹槽702之上。实践中，保护气体已经被用于焊条E1、E2周围。本发明的实施方案针对主电源722和辅助电源772使用Power Wave电源。这些电源被数字地控制并且使用由林肯电气公司所倡导的波形技术，由此电源创建这样的波形，所述波形包括以超过18kHz并且优选地基本上大于20kHz的高开关速度创建的一系列的各个电流脉冲。实践中，波形由以超过40kHz的速率创建的一系列电流脉冲提供。以这种方式，机构720和机构770的AC电流被提供有任何AC波形来优化针对领先的焊条和落后的焊条的焊接工艺。这种类型的焊接工艺在图19中以图解的方式被图示说明，图19表征在实践本发明的优选实施方案时所使用的电源。

本发明的系统900在图19中以图解的方式被图示说明，其中Power Wave电源910具有高开关输出级912，所述高开关输出级912具有用于接收三相线路电流L1、L2和L3的输入整流器914和输出端子912a和912b。输出级912在输出端子912a、9112b处创建AC波形来在焊接工位WP处执行AC弧焊工艺，所述焊接工位WP被图示说明为包括焊条920和工件922并且具有用于在线路932中输出信号的电流分流器930。该信号表征在焊接工位WP处正被执行的焊接工艺的电流。比较器940接收线路932上的信号并且具有输出940a，所述输出940a具有电压控制的脉冲宽度调制器电路942，所述电压控制的脉冲宽度调制器电路942可以是数字的或者模拟的并且具有各式各样的配置。脉冲宽度调制器被振荡器944以高速度驱动，实践中，振荡器944操作于约40kHz的频率。驱动脉冲宽度调制器的振荡器的这一频率以高速度开关速率提供一系列电流脉冲，从而在工位WP处创建AC波形。波形的极性由来自网络950的逻辑或信号控制，所述网络950具有来自波形发生器960的输入线路952以及用于控制从Power Wave电源单元的级912输出的波形的极性的输出线路954。包括一系列快速创建的脉冲的波形的轮廓由波形发生器960控制并且决定，所述波形发生器960具有选择网络962，所述选择网络962选择要在级912的输出端子912a、912b处被创建的期望的波形。通过来自网络962的选择的波形，期望的波形被创建来供电弧焊接机构720和770使用。根据本发明，如所示的，在系统900中，焊条E1、E2之间的波形被调节。落后的焊条（被图示说明为焊条E3）的波形由结合图1-图16所图示说明和论述的电路控制。为控制用于串联连接的焊条E1、E2的波形，系统900包括波形调节电路972-978，所述波形调节电路972-978中的每个具有调节网络972a-978a。电路972调节波形的频率。在波形被网络962选择之后，来自电路972的信号调节AC波形的频率。以类似的方式，波形的占空比被电路974控制。占空比是相比于处于负极的时间，波形处于正极的相对时间。在波形的负部分或波形的正部分期间，电路976和978控制电流的大小。电流976要调节波形的负部分的大小。电路978调节波形的正部分的大小。用于焊条E1、E2的波形是AC波形。然而，DC波形可以用于落后的焊条E3，尽管AC电流在某些实施方案中是优选的。事实上，对于某些实施方案，优选的是，针对电弧焊机700的所有焊条都使用AC波形。其他电路已经被用来调节线路970上的信号，来调制并且改变由网络962所选择的波形状的轮廓，从而在焊条E1、E2的相交处（intersection）优化焊接。

为增加图17中所示的焊机使用图19中所示的系统可获得的电流的量，改进的电弧焊机980在图20中被示出。只有领先的串联连接的焊条E1、E2被图示说明；然而，落后的焊条E3会被用在焊机980中。通过将主电源722形成到包括两个单独的Power Wave单元982、984的改进的电源722a中，焊机被用来获得更多的焊接电流。这些单元被并联连接以使电流容量翻倍。输出引线982a、982b分别被连接到端子724、726。输出引线984a、984b同样分别被连接到端子724、726。因此，通过使用图19中所示的系统900，焊机980如图17和图18中所示的焊机700那样操作。通过使用并联的电源，可获得的电流增加，而不增加各个电源的容量。此外，模块982、984分别在线路982c、984c中生成其各自的焊丝送进器控制信号。因而，焊丝送进器760、762由两个电源982和984中的每个中可获得的可单独调节的信号控制。因而，焊条E1、E2的各个焊丝送进速度使用焊机980被调节。图17-图19中图示说明的优选实施方案的类似修改方式在图21中以图解的方式被图示说明，图21示出包括主电源992和第二电源994的纵排焊条焊机900。主电源992具有输出端子996a和996b。这些端子分别被连接到引线992a和992b。引线992a将电源992的一个输出连接到焊条E1的接触件750。线路992b被连接到线路1000，用于到接触件E2和离开接触件E2的路径中的电流。为连接工件接地（workpiece ground）路径中的端子996b，第二电源994被串联连接在端子996b和工件W之间。电源994具有端子998a、998b。以这一方式，第二电源994与连接到端子998b的引线994b串联。在该架构中，焊条E1携载全电流并且到焊条E1和离开焊条E1的电流在焊条E2和引线994b之间被分割。这同于图16的架构。然而，来自端子998a的引线994a被连接到来自电源992的引线992b。因此，两个电源992和994被串联连接在地线994b和引线992a之间。在两个电源之间，引线1000被连接到焊条E2的接触件752。因此，焊条E1和E2通过Power Wave电源994与接地电流路径串联。通过使用该布置，用于电源992和994二者的波形相同并且每个由图19中所示的系统900创建。电源994对波形处理进行调节以控制在图2中所示的焊机的接地路径中流动的电流。由于采用两个单独的电源，焊丝送进器760由来自电源992的线路992c上的信号控制。线路994c中的第二焊丝送进器信号被电源994控制。如结合图20中所示的焊机所论述的，焊机990具有能够在电源数字控制部分中不使用复杂软件的情况下单独控制焊丝送进器760、762的优点。实际上，图20示出具有两个并联的模块的主电源。在图21中，串联连接的模块被使用；然而，第二模块与接地线路串联连接来更好地控制接地返回电路或路径中的电流波形。

图1-图16中的各种技术概念可以被应用于图16-图21中所示的焊机，并且这些后面提及的焊机中的各种概念可以被相互并入，以实现纵排弧焊机的目的，在纵排弧焊机中前面的两根焊条被串联连接并且具有通过工件的电流返回路径。

图22描绘本发明的进一步的示例性实施方案。具体地，焊接系统1200被示出用于改进的串联弧焊。焊接系统1200包含至少三个电源供应器1210、1220和1230，所述至少三个电源供应器1210、1220和1230能够针对埋弧焊工艺进行焊接。电源供应器可以具有先前所描述的类型。在本发明的另一示例性实施方案中，电源供应器可以具有与由俄亥俄州克利夫兰的林肯电气公司制造的Power Wave AC/DC1000SD类似的类型。当然，可以使用其他类型的电源供应器。电源供应器中的每个（分别）具有正输出端子1211、1221和1231，并且（分别）具有负输出端子1215、1225和1235，所述正输出端子1211、1221和1231以及负输出端子1215、1225和1235被用来通过正和负引线将焊接信号的正和负部分输出到工件。在本发明的实施方案中，引线的连接方式不同于以往进行的连接。这一点在下面被更全面地描述，并且该连接方式和控制轮廓可以提供优于其他串联电弧的改进之处以及改进的串联弧焊系统。

如先前所描述的（例如结合图17所描述的），三根焊条E1、E2和E3可以被用在本发明的实施方案中。注意的是，本发明的各方面不限于仅有三根焊条的使用。例如，附加焊条（被耦合到附加电源供应器）可以在落后的焊条E3之后。此外，在本发明的其他示例性实施方案中，具有落后的焊条E3（和电源供应器230）不是必要的，落后的焊条E3（和电源供应器230）通常被用来将附加填充物材料提供到焊缝中。

在本发明的示例性实施方案中，第一和第二电源供应器1210/1220二者的正引线1212/1222被电气连接到领先的接触件750，从而第一和第二电源供应器1212/1222中的每个将其各自的焊接信号递送至相同的接触件，在所示的实施方案中——领先的接触件750。在图22中所示的实施方案中，用于第三电源供应器的正引线1232将电源供应器1230耦合到落后的接触件786。第一电源供应器1210的负引线1214被耦合到工件W。这样的连接类型是已知的并且可以通过接地夹等来实现。类似地，负引线1234同样通过接地夹等被耦合到工件W。在所示的示例性实施方案中，来自第一和第三电源供应器1210/1230二者的负引线1214/1234在公共总线点1240被连接，并且所述总线点1240在接地点1250被耦合到工件W。当电源供应器被定位为在工件W的远端时可以使用这样的配置，从而难以将各自的引线1214和1234容易地连接到工件。总线点1240可以由任何导电类型的材料形成或具有任何配置，并且例如可以简单地为铜条或板。还要注意的是，使引线1214和1234在同一点1250接地不是必要的，然而取决于焊接工艺的配置和设置，这样的配置可以是有益的。

应当注意的是，尽管电源供应器1210/1220/1230在图22中被示出为单独的部件，本发明的实施方案在此方面不受限。具体地，本发明的实施方案可以使多个电源供应器电路集成到单个电源或壳体中。不需要的是，本文所描述的每个电源供应器是完全单独的、单一电源供应器。

第二电源供应器1220的负引线1224被耦合到第二接触件752。第二电源供应器1220不具有直接连接到工件W的地线或负引线。这与已知系统是形成对照的。在这样的配置中，来自第一和第二电源供应器1210/1220的焊接电流的至少一些通过领先的接触件750进入第二接触件752并且回到第二电源供应器中。应当理解的是，在焊接期间，焊接电流在焊条E1和工件W之间传送并且在焊条E1和E2之间传送。也就是说，存在两条电流返回路径——通过工件和接地点1250以及通过负引线1224。由于这一点，尽管利用焊条E1和E2创建公共电弧，该公共电弧由焊条E1和工件之间以及焊条E1和焊条E2之间的电弧有效形成。因而，第二电源供应器1220上的端子1225和工件W之间不存在物理或真实电气连接。

如先前所说明的，第一和第二焊条E1和E2共用一公共焊接电弧。如此一来，在焊接期间，焊接电流的至少一些从第一焊条E1传送至第二焊条E2并且通过负引线1224进入第二电源供应器1220。

在这样的配置中，与整体系统的阻抗相关的问题如果没有被一同消除也得到了缓解。在现有系统中，电流的接地路径可以显著地影响焊接系统的响应能力。换言之，系统的整体阻抗被接地路径显著影响，因为接地路径是可能难以控制的变量。例如，当焊接操作进行时，电弧和接地点1250之间的距离可以改变。距离上的这一改变使电路（电弧和接地点1250之间）的电阻改变，并且如此一来，整体电路的阻抗在焊接操作期间是不可预测的且会改变。此外，接地连接1250的初始设置也是关键的，因为接地点1250位置必须是被仔细选择的，以提供优化系统性能。然而，再者，即使接地点1250被仔细选择，当焊接工艺在进行中时，到接地点1250的距离也会改变，由此同样改变系统的阻抗。已知的是，电气系统的阻抗会大大影响焊接电源的整体响应能力，因为电流受到电路的阻抗的显著影响。在这些现有系统中，不稳定性造成与背面焊道（back bead）（也就是利用第一根焊道802在工件W的底部处被创建的焊道）的创建相关的问题。这一点的原因在于，因为来自电源供应器的电流控制受到阻抗改变的不利影响，所以焊条E1和E2之间的公共电弧是不稳定的。此外，电路的不稳定性同样不利地影响落后的焊条E3的电弧稳定性。该不稳定性将导致差的焊缝质量和差的焊道形状。

通过使第二电源供应器1220的负引线1224只连接到接触件752而不连接到工件W，上面论述的阻抗问题得到缓解。这允许第二电源供应器1220在控制其电流输出方面能够更好响应并且由此提供更稳定的焊接电弧和焊接系统。

为帮助理解上面论述的实施方案，示例性实施方案的操作现在将被论述。在图22中所示的实施方案中，领先的电源供应器1210是主电源供应器，而第二电源供应器1220是从主电源供应器1210接收其操作命令的从电源供应器。主/从操作设置在焊接行业中是公知的并且在此将不进行详细论述。

对于操作来说，“总电流”和“接地电流”设置被传输至主电源供应器1210和/或在主电源供应器1210上设定。总电流是由主电源供应器1210和从电源供应器1220二者通过它们各自的正引线1212/1222被递送至接触件750的电流的总量（RMS电流）。接地电流是要被递送至工件W——也就是说，行进通过接地路径的总电流的量。总电流和接地电流之间的差然后通过负引线1224被递送至从电源供应器1220。由于这样的电流路径，从电源供应器1220可以精确地控制其电流，并且如此一来，精确地控制总电流和接地电流。从电源供应器的操作没有受到在焊接期间改变阻抗或者不精确地初始确定的阻抗的不利影响。

因为接地电流是流入工件W的电流，所以正是接地电流在确定输入焊缝的整体热。如此一来，输入焊缝的热可以被精确地控制并且针对给定焊接操作被优化。该优化可以通过调节总电流和接地电流之间的关系和/或差来实现。也就是说，接地电流可以被减少而总电流被保持。因而，焊接工艺的总熔敷率可以是不受影响的（因为总电流被保持），而总热输入被减少（供应至焊缝的接地电流的量减少）。可替换地，焊接工艺的熔敷率可以被增加而不增加输入焊缝的整体热。所使用的总电流将决定可以实现的整体熔敷率。然而，在现有系统中，总电流的增加也意味着热输入的增加——这可能是不利的，特别是在焊接薄工件W时。本发明的实施方案允许焊接工艺具有增加的熔敷率，而整体热输入不变。例如，具有1200安培的总电流、700安培的接地电流的实施方案将拥有比具有1000安培的总电流和700安培的接地电流的工艺高的熔敷率，而输入工件W的热输入实际上在两个应用中保持一样。

在本发明的示例性实施方案中，第一电源供应器1210和第二电源供应器1220的电流水平（以RMS电流计）不是相同的。具体地，在本发明的示例性实施方案中，领先的电源供应器1210提供比第二电源供应器1220更高的RMS电流至焊接操作。换句话说，在本发明的实施方案中，接地电流将总是高于所供应的总电流的50%。例如，如果针对焊接操作，1000安培的总量是期望的，则期望的接地电流为600安培，领先的电源供应器1210将提供600安培的总量，而第二电源供应器1220将提供剩余的400安培。在这样的配置中，领先的电源供应器1210将是主电源供应器，而第二电源供应器1220将是从电源供应器。如此一来，基于使用者设置（下面进一步论述），主电源供应器1210设定其自身来提供接地电流并且指示从电源供应器1220来提供期望的总电流和接地电流之间的剩余的差（在上面的实施例中为400安培）。

在本发明的示例性实施方案中，由主和从电源供应器1210/1220供应的电流的差在50-600安培的范围内。在本发明的进一步的示例性实施方案中，所供应的电流中的差在100-500安培的范围内。通过具有更大的差，使用将不具有与主电源供应器相同的额定功率的从电源供应器是可能的。由于更小的电源供应器可以被用于从电源供应器，这可以帮助降低操作成本。

在操作期间，操作者会设定期望的总电流和期望的接地电流二者，并且主供应器1210中的控制电路会导致主和从电源供应器1210/1220被设定为其各自的设置。在该配置中，主和从电源供应器1210/1220中的每个分别负责将其各自的电流递送至焊缝。在这样的配置中，总电流和接地电流的整体控制被优化。因而，串联电弧中的电流不再由电路中变化的阻抗决定（例如，由于工件的存在），而是直接受控于从电源供应器1220。

在本发明的实施方案中，由主和从电源供应器提供的焊接信号为恒定电压信号。在进一步的示例性实施方案中，该信号为恒定电流信号。理想地，电源供应器1210和1220基于焊接参数可以能够提供这两种类型的焊接信号。

图23是可以与本文描述的系统的实施方案一起使用的焊接小车组件1260的示例性实施方案的图绘表征。组件1260包含在焊接操作期间使接触件750、752和786中的每个相对于彼此固定的支撑件1261。在所示的实施方案中，接触件786垂直于焊接表面被定向并且为焊条E3提供伸出长度Y。伸出长度Y可以为提供适合的焊接操作的任一长度，并且可以在0.75至2.5英寸的范围内。串联接触件750和752被安置为邻近彼此并且相对于彼此成角度。接触件750和752的中心线之间的角度β可以在15至45度的范围内，并且在某些示例性实施方案中，可以在25-35度的范围内。此外，在所示的实施方案中，接触件752相对于落后的接触件786以角度α成角度。在本发明的示例性实施方案中，角度α在0至15度的范围内。接触件750和752中的每个被这样定向和安置，使得其各自的焊条E1和E2在焊接期间在工件W的底表面之上约0.25英寸的距离处相交。在其他示例性的实施方案（例如当焊接较薄的工件时）中，相交点在工件的上表面之上。焊条的相交应当至少基于正被焊接的工件（一个或多个）的厚度而被选择来优化焊接操作。此外，接触件750和752中的每个分别提供在0.75至2.5英寸的范围内的伸出距离W和Z。在本发明的示例性实施方案中，伸出距离W和Z是相同的，但是在其他实施方案中，伸出距离可以不同。

此外，在图23中所示的示例性实施方案中，接触件752和落后的接触件786被安置在支撑件1261上，从而距离X在各自的焊条E2和E3之间被测量。距离X被选择，从而来自焊条E3的熔敷物可以被适当地沉积到由焊条E1和E2创建的焊缝之上。如果X过大，则焊条E3的熔敷会干扰由利用E1和E2的焊接所创建的焊渣（slag）。焊渣通过使用焊剂而被创建，这对本行业中的人员来说是已知的。然而，如果距离X过小，则各自的焊接电弧会干扰其他焊接电弧，或者造成过多的整体热输入焊缝区域。在本发明的示例性实施方案中，距离X在3-6英寸的范围内。在其他示例性实施方案中，距离x在4-5英寸的范围内。

焊条E1、E2和E3基于期望的焊接参数（例如，熔敷率等）和焊缝特性（例如，强度等）要被选择。如此一来，在本发明的某些实施方案中，焊条E1、E2和E3的直径可以是不同的。例如，E1可以具有3/16英寸的直径，而E2具有1/8英寸的直径并且E3具有5/32英寸的直径。当然，可以基于期望的性能选择其他直径。类似地，基于期望的焊缝化学性质，焊条的组成可以是不同的。例如，E1和E2可以具有相同的化学性质；而E3具有不同的化学性质。由于可以根据期望采用各种化学性质组合，所以本发明的实施方案在此方面不受限。

此外，在操作期间，针对各自的焊条E1、E2和E3中的每个的焊丝送进速度不需要是相同的。因而，在焊接期间，预期的是，根据针对所需的相对熔敷率所期望的，焊条E1、E2和E3以不同焊丝送进速度被送进到焊缝中。在图22中所示的实施方案中，针对焊条E1、E2和E3的单独的焊丝送进器中的每个通过各自的焊丝送进信号柱1213、1223和1233被耦合到电源。在这样的实施方案中，电源供应器中的每个控制焊丝送进器的操作，并且如此一来，焊丝送进速度针对每根焊丝E1、E2和E3可以是不同的。然而，在本发明的另一示例性实施方案中，用于串联焊丝E1和E2中的每根的焊丝送进器可以被耦合到主电源供应器1210的柱1213，从而它们每个接收同一信号。在这样的实施方案中，由于每个焊丝送进器正接收同一控制信号，所以针对串联焊丝E1和E2的焊丝送进速度将是相同的。这样的配置的实施例在图17中可见，其中引线764被耦合到焊丝送进器760和762二者。

图24示出本发明的另一示例性实施方案。具体地，焊接系统1300被示出，该焊接系统1300在结构上类似于图22中所示的系统。（因此，出于附图清晰考虑，相似的参考编号不再进行重复。）使用者界面1310被提供为具有用于总电流1311和接地电流1312的输入。使用者界面1310通过连接1313被耦合到至少主电源供应器1210，以将设置传输至电源供应器1210以进行焊接。尽管在图24中使用者界面1310被示出为单独的部分，本发明的实施方案不限于这一配置。具体地，具有输入1311和1312的使用者界面可以与电源供应器（例如，主电源供应器1210）形成一体。本发明的实施方案在此方面不受限。使用者界面1310可以是允许使用者设定值或数据的输入的任何已知的系统或装置或者任何类型的系统或装置，例如基于PC的装置等。本发明的实施方案在此方面不受限。

在操作期间，主电源供应器1210接收输入总电流和接地电流设置并且然后设定其输出电流设置来匹配接地电流设置。主电源供应器1210被耦合到从电源供应器1220，从而从电源供应器1220将其自己的电流输出设定为总电流和接地电流之间的差。因而，主和从电源供应器1210和1220的合并的输出将是期望的总电流。主电源供应器1210可以传输期望的设定值至从电源供应器（换言之，总电流和接地电流之间的差）或者可以仅传输总电流和接地电流设置，从而从电源供应器将确定其自己的设定值。

当然，可以使用其他配置。例如，使用者界面1310可以被耦合到主和从电源供应器1210/1220二者并且将设置信息传输至主和从电源供应器1210/1220的每个，从而它们可以为电源供应器设定适当的操作设定值。任一所述设定值可以被传输至主和从电源供应器或者各自的电源供应器1210/1220中的每个可以确定并且设定它们各自的设定值。使用者界面1310还可以只耦合到从电源供应器1220，所述从电源供应器1220然后将设定值（一个或多个）传输至主电源供应器1210，所述主电源供应器1210然后控制焊接操作的各方面。

在图24中所示的示例性实施方案中，主电源供应器1210和第三电源供应器1230之间存在链路1319。该链路允许电源供应器出于操作目的与每个电源供应器进行通信。换言之，主电源供应器1210可以传输至少一个操作参数至第三电源供应器1230。例如，在本发明的实施方案中，主电源供应器1210正将相位角设置传输至落后的电源供应器1230，所述相位角设置可以是用于辅助使焊接电弧稳定化的使用者输入设置。例如，如果用于串联且落后的电弧的焊接波形被平衡，则这些波形可以是同相的。然而，如果波形中任一个或二者未被平衡，则落后的电弧波形应当被设定为与串联的电弧波形异相。波形可以异相有1-359度并且应当被设定来提供稳定焊接电弧。

此外，如图24中所示的，本发明的实施方案可以具有连接到工件W的电压或电流感测引线（或二者）1317/1321。使用电压/电流感测引线一般地是已知的并且在此不需被详细论述。感测引线通常被用作反馈引线来允许各自的电源供应器1210/1230监控和控制其操作。在所示的实施方案中，从电源供应器1220不具有连接到工件W的感测引线。事实上，从电源供应器1220不具有与工件W的直接连接。

如上面所论述的，本发明的该方面的实施方案提供稳定的改进的串联电弧焊接，因为控制电流并且从电源供应器更加精确。因此，本发明的实施方案可以在广泛的工件厚度范围内提供好得多的控制和更好的质量，而不存在来自过量的热输入的任何不利影响。换言之，本发明的实施方案可以焊接具有在（例如）1/4-1英寸厚的范围内的厚度的工件，并且利用接地电流设置的调节，变化的厚度可以被容易地适应。例如，当焊接较薄材料时，接地电流（流入工件的电流）可以被减少，而总电流保持不变。在这样的情形下，输入较薄材料的整体热被减少，但是期望的熔敷率被保持。因此，接地电流和总电流的设置可以至少基于要被焊接的工件的厚度，并且考虑到厚度，使用者可以设定这些设置中的每个。针对较薄的工件，除了将防止过多的热输入工件（这对于较薄的工件是成问题的）的接地电流之外，使用者可以输入顾及快速焊接速度的总电流。当焊接较薄材料时，这一点是优于需要更少的电流（而由此热输入更少）的已知系统的。因为这些优点，高强度钢（例如，在造船业所使用的那些钢）可以从单侧被焊接，具有高质量的背面焊道结构和好得多的控制。这意味着本发明的实施方案可以提供优于已知方法的显著的行进速度改进。本发明的实施方案可以达到在25-35英寸/分钟（min）的范围内的行进速度，甚至是在传统上需要更慢的行进速度的较薄和较厚的工件中。在另一示例性实施方案中，行进速度可以具有15和40英寸/分钟之间的范围。当然，预期的是，可以达到更高和更慢的行进速度。

在本发明的进一步的示例性实施方案中，各种焊接波形参数可以被调节来基于工件厚度和其他性质并且基于期望的焊接参数优化焊缝性质。具体地，波平衡、波偏移、焊接波形的频率和相位可以被优化来实现期望的焊接性质和性能。在本发明的示例性实施方案中并且如先前所论述的，与正弦波轮廓相对的，可以使用方波轮廓。已知的是，方波轮廓可以提供增加的效率，因为焊接波形的电流和电压在峰值处花费更多的时间。方波轮廓的使用可以提供增加的电弧稳定性、焊接具有单个焊道的较厚件的能力以及以更快的速度和减少的整体热输入焊接较薄板的能力。

波平衡是指焊接波形的DC+分量。换言之，具有25%的平衡的波是使其周期的25%为正而剩余75%为负的波。这一点在图25中被以图示的方式表征，其中负平衡的和平衡的波二者被示出。类似地，图26示出相比于平衡的波的正向非平衡的波。在本发明的示例性实施方案中，合乎期望的是针对串联焊条E1和E2使用中性平衡的或负平衡的波——也就是说50%或更少的波平衡。负平衡的使用增加焊接焊条（E1、E2和E3）的熔化。焊接波形的波平衡可以被调试（tailor）来实现增加的熔敷而同时减少熔深。在本发明的示例性实施方案中，落后的焊条E3可以具有为正平衡的大于50%的波平衡。

波偏移是指电流波形相对于过零电流（0current crossing）的正或负移位。因而，与影响电流为正或负的时间的量的平衡相对的，偏移使电流的幅值移位为更多正向或更多负向。在焊接期间，偏移可以被用来控制进入工件W的熔深的量。此外，针对特定焊条直径，当靠近电流范围的下限值进行焊接时，偏移控制可以被用来提高电弧稳定性。图27以图示方式描绘不具有偏移的方波和具有负偏移的方波。如可见的，负偏移波形已经被移位，从而电流峰值已经被移位为更多负向（并且更少正向）。本发明的实施方案可以具有在峰值安培数（正或负）的+/-25%的范围内的偏移。

在本发明的示例性实施方案中，波形频率还可以被用来提供优化的焊接参数。例如，通过增加波形的频率，焊道宽度被减少并且焊道的凸面被增加。此外，通过减小波形频率，在峰值电流和电压值处更多的焊接时间是可获得的，而更少的整体时间被花费在波形的过渡区域中。如此一来，焊接可以变得更加高效。在本发明的示例性实施方案中，焊接波形的频率可以介于20和100Hz之间。

相位角是多条AC电流路径的方向夹角（angular separation）。图28示出具有90度相位角差的两条电流路径。已知的是，以纵排方式工作的两个独立的AC电弧之间的电气相位角影响电弧和焊缝熔池的稳定性。因而，相位角可以影响电弧、焊道形状、熔深以及焊道边缘外观的稳定性。可以根据期望的焊道性质和特性以0和360度之间的任一角度设定相位角。

在本发明的示例性实施方案中，其中期望更多的熔深但是需要减少的填充物金属（例如，在对接焊缝类型的接合处中），波平衡大于50%并且可以使用正偏移。在需要熔深和填充物金属熔敷之间的更多平衡的实施方案中，可以使用50%或更少的平衡。在需要非常少的熔深但大量填充（例如，V-凹口槽）的其他实施方案中，平衡应当少于50%，使用高频率——在20-100Hz的范围内，以及负偏移值。在某些实施方案中，使用低于20Hz或高于100Hz的频率可以是可能的，但是焊接操作的稳定性将需要被保持。

在本发明的示例性实施方案中，可以是有益的是，调整落后的焊条E3的焊接波形来具有比串联焊条E1和E2的熔深更多的熔深。这是因为，针对焊道形状性质，使落后的焊条E3进一步熔透到由焊条E1和E2形成的焊道中可以是合乎期望的。

尽管本发明已经被具体地示出并且参照其示例性实施方案被描述，本发明不限于这些实施方案。本领域的普通技术人员将理解的是，可以对其中的形式和细节进行各种改变，而不脱离由所附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

参考编号：

10    输出引线             70a   局域互连线路

12    输出引线             70b   局域互连线路

14    电流换能器           70c   局域互连线路

16    线路                 80    发生器

18    远端中央控制装置     82-88 相位设置信号

20    引线                 100   逆变器

22    引线                 102   输入整流器

24    电流换能器           110   输出变压器

26    线路                 112   输出整流器

30    主控制器/电源供应器  120   抽头电感

32    从控制器/电源供应器  140a  控制器

40    单向电路             140b  控制器

44    线路                 142   线路

44a   线路                 144   线路

44b   线路                 150   转换器

46    线路                 152   误差放大器

46a                        152a  第一输入

46b   线路                 152b  第二输入

50        网关              160   转换器

52        网关              162   宽度调制器

60        网络服务器        164   振荡器

62        互联网信息        200   工件

70        以太网络          202   纵排焊条

204       纵排焊条          270   信号

206       纵排焊条          272   正部分

210       开口根部分        274   负部分

212       沉积              280   信号

214       沉积              282   正部分

216       沉积              284   负部分

217       输出引线          290   正部分

218       输出引线          291a  点

220       逆变器            291b  点

222       整流器            292   负部分

224       脉冲宽度调制器级  294a  点

224a      线路              294b  点

226       振荡器            296a  垂线/形状

228       霍尔效应换能器    296b  垂线/形状

230       比较器            310   第一波形状

232       线路              310a  不同的电流脉冲

234       线路              312   第二波形状

240       波成形器          312a  不同的电流脉冲

242       线路              320   正部分

250       输入              320a  电流脉冲

252       移位程序          322   负部分

254       线路              322a  脉冲

260       信号              330   正部分

260a-260n 线路              330a  电流脉冲

332       负部分            382a  部分

332a      脉冲              382b  部分

350       磁通量            390   区域

352       磁通量            392   区域

354       中心区域          394   区域

360       熔融金属部分      396   区域

362       熔融金属部分      400   波形

364       熔融金属部分      402   脉动波形

366       熔融金属部分      410   极性关系

370       磁通量            412   极性关系

370a   正的正弦部分        414    极性关系

370b   较大的负部分        420    波形

370c   垂线                420a   小的正部分

370d   垂直过渡            420b   大的熔敷部分

372    磁通量              420c   直线极性过渡

372a   小的熔深部分        430    波形

372b   大的负熔敷部分      430a   正部分

372c   垂线                430b   负部分

372d   垂线                430c   垂直极性过渡

374    中心部分            450    第一波形

380    波形                450a   正部分

380a   部分                450b   负部分

380    部分                452    邻近的波形

382    波形                452a   正部分

452b   负部分              564    线路

454    邻近的波形          570    保持电路

454a   正部分              572    保持电路

454b   负部分              574    保持电路

456    邻近的波形          580    线路

456a   部分                582    线路

456b   部分                584    门

460    同步信号            600    软件触发器

500    主电源供应器        602    线路

502    线路                604    端子

504    线路                610    线路

510    霍尔效应换能器      612    线路

512    线路                700    电弧焊机

520    并联的从电源供应器  702    凹槽

522    并联的从电源供应器  704    凹槽

530    节点                710    板

532    霍尔效应换能器      712    板

534    霍尔效应换能器      714    边缘

550    软件比较器电路      716    边缘

552    软件比较器电路      718    角度

554    软件比较器电路      720    机构

556    线路                722    主电源

560    线路                724    输出端子

562    线路                726    输出端子

730    引线                786    接触件

732      引线            790   焊丝送进器

734      线路            790a  间隔的驱动辊

736      线路            790b  间隔的驱动辊

740      线轴            790c  马达

742      线轴            792   线路

750      电气接触件      800   焊缝熔池

752      电气接触件      802   第一焊道

760      焊丝送进器      804   覆盖焊道

760a     驱动辊          810   焊剂分发器

760b     驱动辊          812   分发马达

760c     马达            814   料斗

760d     引线            816   管路

762      焊丝送进器      900   波形/系统

762a     驱动辊          910   Power Wave电源

762b     驱动辊源        912   高开关输出级

762c     马达            912a  输出端子

762d     引线            912b  输出端子

764      线路            914   输入整流器

770      机构            920   焊条

772      辅助电源        922   工件

780      线路            930   电流分流器

782      线路            932   线路

784      线轴            940   比较器

942      宽度调制器电路  994   第二电源

944      振荡器          994a  引线

950      网络            994b  引线

952      输入线路        996a  输出端子

954      输出线路        996b  输出端子

960      波形发生器      998a  端子

962      网络            998b  端子

970      线路            1000  线路

972-978波形调节电路      1200  焊接系统

972a-978a调节网络        1210  电源供应器

980      电弧焊机        1211  正输出端子

982      Power Wave单元  1212  正引线

982a     输出引线        1213  焊丝送进信号柱

982b     输出引线        1214  负引线

982c     线路            1215  负输出端子

984      Power Wave单元  1220  电源供应器

984a  输出引线        1221  正输出端子

984b  输出引线        1222  正引线

984c  线路            1223  焊丝送进信号柱

990   纵排焊条焊机    1224  负引线

992   主电源          1225  负输出端子

992a  引线            1230  电源供应器

992b  引线            1231  正输出端子

992c  线路            1232  正引线

1233  焊丝送进信号柱  E1    第一焊条

1234  负引线          E2    第二焊条

1235  负输出端子      E3    焊条

1240  公共总线点      ECLK  端子

1250  接地点          F     分发焊剂

1260  焊接小车组件    L1    三相线路电流

1261  支撑件          L2    三相线路电流

1300  焊接系统        L3    三相线路电流

1310  使用者界面      N     网络

1311  总电流          P     熔融金属熔池

1312  接地电流        PSA   电源供应器

1313  连接            PSB   电源供应器

1317  电流感测引线    PS1   单一电源供应器

1319  链路            PS2   单一电源供应器

1321  电流感测引线    PS3   单一电源供应器

A     第一主焊机      Q     端子

AC1   电弧            Q1    相反极性开关

AC2   电弧            Q2    相反极性开关

B     后面的焊机      S     焊接系统

C     控制器          W     工件

CK    端子            WP    焊接路径

D     端子            WS    焊接工位

E     焊条            X     距离

Z     距离            Y     伸出长度

β    角度

a     最大值

a'    高度/大小

b     宽度/时间段

b'    时间长度/时段

c     时间/时段

c'    时间长度

d      最大值

d'       最大值

h       伸出距离

r       箭头

0       逻辑

1       逻辑

READY¹  线路

READY²  线路

READY³  线路

Claims (15)

1.一种焊接系统（1200），所述焊接系统（1200）包括：

第一焊接电源供应器（1210），所述第一焊接电源供应器（1210）具有第一正输出端子（1211）和第一负输出端子（1215），其中所述第一正输出端子（1211）被耦合到第一导电嘴（750），并且所述第一负输出端子（1215）被耦合到工件（W）；以及

第二焊接电源供应器（1220），所述第二焊接电源供应器（1220）具有第二正输出端子（1221）和第二负输出端子（1225），其中所述第二正输出端子（1221）被耦合到所述第一导电嘴（750），并且所述第二负输出端子（1225）被耦合到第二导电嘴（752）；

其中所述第二负输出端子（1225）没有被耦合到所述工件（W），并且

其中所述第一和第二导电嘴（750、752）中的每个被定向来分别将第一焊接焊条（E1）和第二焊接焊条（E2）引导至公共焊弧来焊接所述工件（W）。

2.如权利要求1的焊接系统，还包括至少一第三电源供应器（1230），所述第三电源供应器（1230）具有第三正输出端子（1231）和第三负输出端子（1235），其中所述第三正输出端子（1231）被耦合到第三导电嘴（786），并且所述第三负端子（1235）被耦合到所述工件（W）；其中所述第一电源供应器（1210）可以被耦合到所述第三电源供应器（1230），以控制所述第三电源供应器（1230）的操作参数。

3.如权利要求1或2的焊接系统，其中所述第一电源供应器（12010）供应具有第一RMS值的第一焊接电流至所述第一焊接焊条（E1）并且所述第二电源供应器（1220）提供第二焊接电流至所述第一焊接焊条（E1），其中所述第一RMS电流高于所述第二RMS电流，其中所述第一RMS电流可以比所述第二RMS电流高50-600安培；和/或其中所述第一和第二RMS电流以及所述第一和第二RMS电流之和中的至少一个的大小基于至少所述工件（W）的厚度。

4.如权利要求1至3中的一项的焊接电源供应器，其中所述第一和第二电源供应器（1210、1220）提供总RMS电流至所述公共焊弧并且由所述第一电源供应器（1210）提供的RMS电流大于所述总RMS电流的50%。

5.如权利要求1至4中的一项的焊接电源供应器，其中所述第一和第二电源供应器（1210、1220）中的至少一个被耦合到使用者界面，所述使用者界面具有至少用于使用者输入的总电流和接地电流输入能力。

6.如权利要求1至5中的一项的焊接电源供应器，还包括焊接小车组件（1260），所述焊接小车组件（1260）包含所述第一和第二导电嘴（750、752）中的每个并且将所述第一和第二导电嘴（750、752）中的每个固定在固定位置以进行焊接，使得所述第一和第二焊条（E1、E2）中的每个能够相交。

7.如权利要求6的焊接电源供应器，其中所述焊接小车组件（1260）还包含耦合到第三电源供应器（1230）的第三导电嘴（786），其中在焊接期间所述第三导电嘴（786）被定向来将第三焊接焊条（E3）引导至所述工件（W）并且其中所述第三导电嘴（786）在行进方向上被安置在所述第二导电嘴（752）的后面，使得所述第二焊接焊条（E2）和所述第三焊接焊条（E3）之间的距离在3-6英寸（7.62-15.24cm）的范围内。

8.如权利要求1至7中的一项的焊接系统，还包括用于提供所述第一焊接焊条（E1）的第一焊丝送进器以及用于提供所述第二焊接焊条（E2）的第二焊丝送进器，其中所述第一电源供应器（1210）中的每个控制所述第一和第二焊丝送进器二者。

9.一种焊接方法，所述焊接方法包括：

将第一电源供应器（1210）的第一正输出（1211）耦合到第一导电嘴（750）并且将所述第一电源供应器（750）的第一负输出（1215）耦合到要被焊接的工件（W）；

将第二电源供应器（1220的第二正输出（1221）耦合到所述第一导电嘴（750）并且将所述第二电源供应器（1220）的第二负输出（1225）耦合到第二导电嘴（752），使得在焊接期间所述第二负输出（1225）没有被耦合到所述工件（W）；

通过所述第一导电嘴（750）将第一焊接焊条（E1）引导至所述工件（W）；

通过所述第二导电嘴（752）将第二焊接焊条（E2）引导至所述工件（W），使得所述第一和第二焊条（E1、E2）共用一公共焊弧；其中所述第一焊接焊条（E1）优选地具有不同于所述第二焊接焊条（E2）的直径；

将第一RMS电流从所述第一电源供应器（1210）提供至所述第一焊接焊条（E1）；

将第二RMS电流从所述第二电源供应器（1220）提供至所述第一焊接焊条（E1）。

10.如权利要求9的方法，其中所述第一RMS电流大于所述第二RMS电流；并且优选地，其中所述第一RMS电流比所述第二RMS电流大50-600安培。

11.如权利要求9或10的方法，还包括将总电流设置和接地电流设置输入使用者界面的步骤，其中所述总电流设置确定所述第一和第二RMS电流之和，并且所述第二RMS电流是所述总电流设置和所述接地电流设置之间的差。

12.如权利要求9至11中的一项的方法，还包括将第三焊接焊条（E3）引导至所述工件（W）的步骤，其中所述第三焊条（E3）被耦合到第三电源供应器（1230）并且其中在焊接期间所述第三焊条（E3）在行进方向上被安置在所述第二焊条（E2）的后面3-6英寸（7.62cm-15.24cm）。

13.如权利要求9至12中的一项的方法，其中所述焊接的行进速度在每分钟15-40英寸的范围内；和/或其中所述第一焊接焊条（E1）的焊丝送进速度与所述第二焊接焊条（E2）的焊丝送进速率相同。

14.如权利要求9至13中的一项的方法，其中所述第一电源供应器（1211）将所述第二RMS电流的操作设定值发送至所述第二电源供应器（1221）。

15.如权利要求9至14中的一项的方法，还包括确定所述第一和第二RMS电流以及总电流设置中的至少一个的大小的步骤，所述总电流设置是基于至少所述工件（W）的厚度的所述第一和第二RMS电流之和。

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