CN105050761B - 用于以ac波形焊接的设备和方法 - Google Patents

Abstract

焊机电源供应器和焊接方法被提供，所述焊机电源供应器以DCEN状态焊接，但是当短路被检测到时，电流波形切换为EP状态，并且在电极具有正极性时短路被清除。

Description

用于以AC波形焊接的设备和方法

发明领域

本发明涉及根据权利要求1的焊接设备以及涉及根据权利要求8的焊接方法。与本发明一致的装置、系统和方法涉及焊接，并且更具体地涉及用于焊接和清除短路的装置、系统和方法。

本发明一般地涉及在美国专利No.6,215,100和No.7,304,269中的每篇所描述的一般类型的焊接系统中在飞溅和热量输入方面的改善，所述美国专利No.6,215,100和No.7,304,269整个公开的全部内容通过引用被并入本文。

技术背景

在电弧焊接中，一般已知的是，在焊接操作期间，以电极负状态焊接可以导致较低的总热量输入。例如，一般已知的是，GMAW型焊接可以利用脉冲波形以电极负状态进行。然而，已经注意到的是，当短路发生在电极负状态并且使用负极性被清除时，电弧不稳定或者飞溅事件可以发生。就是说，例如，在某些脉冲周期期间，特别是在焊条非常靠近工件操作的应用中，熔融金属在从推进的丝焊条被完全释放之前接触工件。这在推进的丝焊条和工件之间创建短路(short circuit)(又称短接(short))。合乎期望的是，快速消除或清除短路来获得与适当的脉冲焊接相关联的一致性。然而，清除短路可以导致生成不合期望的飞溅。这样的飞溅导致焊接工艺的低效率并且可以导致熔融金属飞溅到工件上，所述熔融金属随后可能不得不使用例如磨具来移除。

通过将这样的途径与如参照附图在本申请其余内容中阐述的本发明的实施方案进行比较，本领域技术人员将清楚常规的、传统的以及已提出的途径的其他限制和缺点。

发明内容

目标是克服本文所提及的限制和缺点。该问题通过根据权利要求1的焊接设备以及通过根据权利要求8的焊接方法被解决。本发明的进一步的实施方案是从属权利要求的主题。本发明的示例性实施方案是具有或使用焊接功率转换器的焊接设备和方法，所述焊接功率转换器输出电流，所述电流是具有多个脉冲和本底部分的DC电极负波形，其中所述脉冲中的每个的峰值电流大于本底部分的最高电流水平。焊接功率转换器将焊接波形提供到焊条和至少一个工件来焊接至少一个工件。同样被包括的是短路检测电路以及AC焊接模块，所述短路检测电路检测焊条和工件之间的短路事件，所述AC焊接模块在检测到短路事件之后将DC电极负波形的电流的极性从负改变为正。在电流改变为正之后，焊接功率转换器输出短路清除电流来清除短路事件，并且在短路事件被清除之后，AC焊接模块将所述电流的极性从正改变为负，并且在没有检测到短路事件的情况下，电流被保持为DC电极负焊接波形。

附图简要说明

通过参照附图详细描述本发明的示例性实施方案，本发明的上述和/或其他方面将会更加明显，在所述附图中：

图1图示说明在焊接电流回路中包括开关模块的电弧焊接系统的示例性实施方案的框图；

图2图示说明图1的系统的部分的示例性实施方案的示意图，包括焊接电流回路中的开关模块；

图3图示说明图1和图2的开关模块的示例性实施方案的示意图；

图4图示说明用于使用图1的系统防止电弧焊接工艺中的飞溅的方法的第一示例性实施方案的流程；

图5图示说明根据图4的方法由未使用图1-3的开关模块的常规电弧焊接机产生的常规脉冲输出电流波形的实施例；

图6图示说明在具有系绳状连接部分(tethered connection)的自由飞行(free-flight)转移过程中使用高速视频技术发现的迸发(exploding)飞溅工艺；

图7图示说明根据图4的方法由使用图1-3的开关模块的图1的电弧焊接机产生的输出电流波形的实施例；

图8图示说明用于使用图1的系统防止电弧焊接工艺中的飞溅的方法的另一示例性实施例的流程；

图9图示说明根据图8的方法由使用图1-3的开关模块的图1的电弧焊接机产生的输出电流波形的实施例；

图10图示说明依据本发明的附加示例性实施方案的附加焊接系统的实施例，所述附加焊接系统依据本发明的实施方案能够执行AC焊接并且能够将电流从负切换为正；

图11图示说明能够由图10中的系统产生的焊接波形的实施例；

图12图示说明依据本发明的示例性实施方案的波形的短路清除部分的实施例；以及

图13图示说明依据本发明的另一个示例性实施方案的电压和电流焊接波形的实施例。

详细描述

现在将在下面通过参照附图描述本发明的示例性实施方案。所描述的示例性实施方案意图帮助理解本发明，而不意图以任何方式限制本发明的范围。相似的参考编号在通篇中涉及相似的要素。

在弧焊工艺期间，当焊条末端和工件之间的距离是相对小的时候，熔融金属可以经由接触转移过程(例如，表面张力转移或STT工艺)或具有系绳状连接部分的自由飞行转移过程(例如，脉冲焊接工艺)被转移。在接触转移过程中，焊接焊条末端上的熔融金属球与工件进行接触(即，短路)并且在熔融金属球开始与焊条末端基本上分离之前开始“湿润进入(wet into)”工件上的熔池(molten puddle)。

在自由飞行转移过程中，熔融金属球与焊条末端分开并且朝向工件“飞越”(flyacross)电弧。然而，当焊条末端和工件之间的距离是相对小的时候，飞越电弧的熔融金属球可以与工件进行接触(即，短路)，而熔融金属的细系绳状部分(thin tether)仍使熔融金属球与工件末端接触。在这样的系绳状自由飞行转移情形下，如本文图6中所图示说明的，当熔融金属球与工件进行接触时，由于通过系绳状部分的电流快速增大，熔融金属的细系绳状部分趋于迸发而导致飞溅。当以DC电极负(DCEN)状态进行焊接时可以特别地是这样的情况。因此，当焊接波形是DCEN型波形时，本发明的方面通过以正极性清除任何短路来解决该问题。

现转到图1，图1图示说明在焊接输出回路中包括开关模块110并且提供焊接输出121和122的电弧焊接系统100的示例性实施方案的框图。系统100包括能够将输入功率转换为焊接输出功率的功率转换器120。例如，功率转换器120可以为逆变型功率转换器或斩波型功率转换器。系统100还包括丝送进器130，丝送进器130能够将焊接焊丝E送进通过例如将焊接焊丝E连接到焊接输出121的焊枪(未示出)。

系统100还包括可操作地连接在功率转换器120和焊接输出121之间的分流器140(或者类似的装置)，来将焊接输出电流送进到系统100的电流反馈传感器150，以感测由功率转换器120产生的焊接输出电流。系统100还包括可操作地连接在焊接输出121和焊接输出122之间的电压反馈传感器160，来感测由功率转换器120产生的焊接输出电压。作为可替换的方式，开关模块110可以被包括在流出焊接电流路径中，例如介于功率转换器120和分流器140之间，或者介于分流器140和焊接输出121之间。

系统100还包括可操作地连接到电流反馈传感器150和电压反馈传感器160的高速控制器170，来接收以信号161和162的形式表征焊接输出的感测的电流和电压。系统100还包括可操作地连接到高速控制器170的波形发生器180，来接收来自高速控制器170的命令信号171，该命令信号171告知波形发生器如何实时调试焊接波形信号181。波形发生器180产生输出焊接波形信号181并且功率转换器120可操作地连接到波形发生器180，来接收输出焊接波形信号181。功率转换器120通过基于输出焊接波形信号181将输入功率转换为焊接输出功率来生成调制的焊接输出(例如，电压和电流)。

开关模块110可操作地连接在功率转换器120和焊接输出122之间，焊接输出122在操作期间连接到焊接工件W。高速控制器170也可操作地连接到开关模块110来提供开关命令信号(或消隐信号(blanking signal))172到开关模块110。根据本发明的实施方案，高速控制器170可以包括逻辑电路、可编程微控制器以及控制器存储器。

根据本发明的实施方案，高速控制器170可以使用感测的电压信号161、感测的电流信号162或者这二者的组合来在每个脉冲周期期间确定在推进的焊条E和工件W之间何时出现短路、何时短路要被清除以及何时短路已经实际上被清除。这样的确定何时出现短路以及何时短路被清除的方案在本领域中是公知的，并且例如在美国No.7,304,269中被描述，美国No.7,304,269的全部内容通过引用被并入本文。高速控制器170可以命令波形发生器180在出现短路被/或短路被清除时改变波形信号181。例如，当短路被确定为已经被清除时，高速控制器170可以命令波形发生器180在波形信号181中包括等离子升压脉冲(plasmaboost pulse)(参见图7的脉冲750)，来防止在清除前一短路之后立即出现另一短路。

图2图示说明图1的系统100的部分的示例性实施方案的示图，包括在焊接电流回路中的开关模块110。功率转换器120可以包括逆变电源123以及续流二极管124。由于焊接输出路径中的各种电器部件，焊接输出路径将具有固有的焊接电路电感210。开关模块110被示出为具有与阻抗路径112(例如，高额定功率电阻的网络)并联的电气开关111(例如，功率晶体管电路)。

在焊接波形的脉冲周期期间，当没有出现短路时，电气开关111通过来自高速控制器170的开关命令信号172被命令为是闭合的。当电气开关111被闭合时，电气开关111在输出焊接回路中提供非常低的阻抗路径，允许焊接电流通过开关111自由返回到功率转换器120。阻抗路径112仍出现在焊接输出回路中，而大部分电流将流过由闭合的开关111提供的低阻抗路径。然而，当短路被检测到时，电气开关111通过来自高速控制器170的开关命令信号172被命令为是断开的。当电气开关111被断开时，流过开关111的电流被切断并且被迫使来流过阻抗路径112，由于阻抗路径112提供的阻抗，导致电流的水平(level)被降低。

图3图示说明图1和图2的开关模块110的示例性实施方案的示意图。如所示的，开关模块110包括晶体管电路111和电阻网络112。开关模块110可以包括用于安装模块110的各种电气部件(例如，包括晶体管电路111、电阻网络112、LED以及状态逻辑电路)的电路板。

图4图示说明用于使用图1的系统100在脉冲电弧焊接工艺中防止飞溅以及清除短路的方法400的第一示例性实施方案的流程，并且其通常当以与焊接相同的极性清除短路时被使用。步骤410表示开关模块110的开关111正常被闭合(没有短路情况)的操作。在步骤420中，如果没有检测到短路，则开关111保持为闭合的(没有短路情况)。然而，如果检测到短路，则在步骤430中，开关111被命令来在短路间隔期间(即，焊条被短路到工件的时间段)经历断开和闭合连续事件。

步骤430中的断开/闭合连续事件通过在第一次检测到短路时断开开关111来开始。在第一时间段(例如，短路间隔的第一个10％)开关111保持为断开的。这快速减少输出电流，从而短路不会以导致大量飞溅的方式立刻被破坏。在第一时间段后，开关被再次闭合并且输出电流在第二时间段期间是倾斜的而导致开始熔融短路，来形成窄的颈部而试图与焊条分开并且清除短路。在该第二时间段期间，由于电流是倾斜的，执行dv/dt检测方案来预计何时短路将会被清除(即，何时颈部将会断开(break))。这样的dv/dt方案在本领域中是公知的。然后，就在短路要被清除之前(例如，在短路间隔的最后10％期间)，开关111被再次断开，以再一次快速地降低输出电流来防止在颈部实际断开时(即，当短路被实际清除时)的过渡飞溅。

在步骤410中，如果短路(焊条和工件之间的短路)仍存在，则开关111保持断开。然而，如果短路已经被清除，则在步骤450中，开关111被再次闭合。以这种方式，在短路情况期间，开关111经历断开/闭合连续事件并且当开关被断开时流过焊接输出路径的电流被减少，导致减少的飞溅。根据本发明的实施方案，方法400在高速控制器170中被实施。此外，根据本发明的实施方案，系统100能够以120kHz的速率做出反应(即，开关模块110可以以该高速率在开和关之间被切换)，为短路的检测和短路清除的检测提供充分的反应来以有效的方式实施方法400。

根据略微简单些的可替换实施方案，响应于推进的焊条和工件之间的短路检测，通过在至少一确定的时间段断开开关111，由此增加焊接电路路径中的阻抗，焊接电路路径的电流被减少，而不是上面结合图4所描述的经历断开/闭合连续事件。对大部分脉冲周期来说，确定的时间段具有允许短路被清除而无需首先增加焊接电路路径的电流的持续时间。在给定脉冲周期期间，如果短路在确定的时间段已经如所期望的期满之前被清除，则工艺继续脉冲周期的下一部分。然而，如果短路没有在确定的时间段内被清除，则在确定的时间段后，开关111立即被再次闭合，导致焊接电路路径的电流再一次增加并且清除短路。在这样的可替换实施方案中，响应于短路的检测，在确定的时间段的至少一部分，开关111被简单地断开。在大多数脉冲周期中，电流无需被增加来清除短路。

此外，作为一种选择，当推进的焊条和工件之间的短路被检测到时，推进的焊条的速度可以被减慢。减慢推进的焊条的速度帮助更容易地清除短路而不增加如否则的情况要增加的那么多材料到短路部分。为减慢推进的焊条的速度，推进焊条的丝送进器的马达可以被关闭并且可以制动马达。根据各种实施方案，制动可以为机械制动或者电气制动。

图5图示说明根据图4的方法400或者上面所描述的简单些的可替换方法由未使用图1-3的开关模块110的常规脉冲电弧焊接机得到的常规脉冲DCEN输出电流波形500的实施例，并且其中短路以与焊接波形相同的极性被清除。如从图5的波形500可见的，在峰值脉冲510被激发(fire)之后，短路可以出现，例如开始于时间520，持续例如直到短路被清除的时间530。时间520和530限定短路间隔540。如在图5中可见的，峰值脉冲510在多个脉冲周期或焊接工艺周期期间以有规律的间隔被激发。在任何给定的周期或脉冲周期期间，短路情况可以发生或者可以不发生。在常规系统中，当短路发生时，相比于电感，在焊接输出路径中存在非常小的阻抗。即使电源被关断，电流继续流动。

再次参见图5，在短路间隔540期间，由于在焊条E和工件W之间缺乏电弧(阻抗变得非常低)并且由于焊接电路电感210用来保持电流在焊接输出路径中流动，所以输出电流趋于增加，甚至是在功率转换器120被逐步调整回到(phase back)最小水平。在短路被清除之前电流趋于增加(即，在熔融金属短路与焊条E分开之前)。然而，以这样的增加的电流水平，当短路被破坏或清除时，增加的电流水平趋于导致熔融金属迸发而导致飞溅。

图6图示说明在具有系绳状连接部分的自由飞行转移过程中使用高速视频技术发现的迸发的飞溅过程。高峰值脉冲(例如，510)导致熔融金属球610朝向工件W突出，在球610和焊条E之间创建窄的系绳状部分620。当球610朝向工件W飞越电弧时，系绳状部分620变窄并且最后通过系绳状部分620在焊条E和工件W之间出现短路。在焊接焊条非常靠近工件操作的操作中几乎每个脉冲周期都趋于出现这种情况。特别地，已经发现的是，对于自由飞行转移脉冲焊接工艺，系绳状部分620创建初期的短路并且大量电流可以开始流过窄的系绳状部分620。如图6中所示的，逐渐增加的电流水平最终导致相对细的熔融系绳状部分620迸发而创建飞溅630。然而，通过并入如本文上面所描述的开关模块110和方法400(或简单些的可替换方式)，所创建的飞溅630可以被大大减少。

图7图示说明根据图4的方法400由使用图1-3的开关模块110的图1的脉冲电弧焊接机100得到的脉冲输出电流波形700的实施例，但是仍然其中短路以与波形700相同的EN(电极负)极性被清除。如从图7的波形700可见的，在峰值脉冲710被激发之后，短路可以出现，例如开始于时间720，持续例如直到短路被清除的时间730。时间720和730限定短路间隔740。如在图7中可见的，峰值脉冲710在多个脉冲周期或焊接工艺周期期间以有规律的间隔被激发。在任何给定的周期期间，短路情况可以发生或者可以不发生。然而，当焊条末端和工件之间的距离是相对小的时候，几乎每个周期都可以出现短路。

再次参见图7，在短路间隔740期间，当短路首次出现并且同样当短路要被清除时开关模块110的开关111被断开，导致输出电流流过阻抗路径112并且因此导致电流水平减少。作为实施例，开关信号172可以为当检测到短路时由高到低的逻辑信号，使得开关断开。类似地，当短路被清除时，开关信号172可以从低到高来再次闭合开关111。当开关111被断开时，阻抗路径112加重焊接输出路径的负载，允许续电流快速下降到期望的水平。在短路被清除之前，电流趋于减少，并且以这样的减少的电流水平，当短路被破坏或清除时，熔融金属趋于以非迸发的方式(unexplosive manner)箍断(pinch off)，消除或至少减少所创建的飞溅的量。同样，在图7的波形700中，用于帮助防止在刚刚清除短路之后立即出现另一短路的等离子升压脉冲750是更为卓越的并且潜在地为更有效的。

图8图示说明用于使用图1的系统100防止脉冲电弧焊接工艺中的飞溅的方法800的另一示例性实施方案的流程，并且其中短路以相同的极性被清除。根据实施方案，方法800由控制器170执行。高速控制器170追踪短路出现和/或短路清除的时间并且提供在至少下一脉冲周期期间何时短路间隔940(出现短路和短路被清除的时候之间的时间)(见图9)将会出现的估计。从这样的估计，消隐间隔960(见图9)可以被确定，这用来生成消隐信号172。

根据已知的技术，在方法800的步骤810中，系统100检测脉冲焊接波形的重复脉冲周期期间短路出现和/或这些短路的清除。在步骤820中，在脉冲周期内检测到的短路的出现和/或清除的时间(例如，通过高速控制器170)被追踪。在步骤830中，基于追踪结果估计下一脉冲周期的短路间隔940的位置和持续时间(见图9)。在步骤840中，基于下一脉冲周期的短路间隔的估计的位置确定至少下一脉冲周期的交叠消隐间隔960。在步骤850中，消隐信号(一种开关信号)172(例如，通过控制器170)被生成来在下一脉冲周期期间施加到开关模块110。

图9图示说明根据图8的方法800由使用图1-3的开关模块110的图1的脉冲电弧焊接机100得到的脉冲输出电流波形900的实施例，但是以电极正状态被示出。理解的是，尽管电流波形针对波形900以电极正状态被示出，下面的讨论可以等同地应用于电极负状态。如从图9的波形900可见的，在峰值脉冲910被激发之后，短路可以出现，例如开始于时间920，持续例如直到短路被清除的时间930。时间920和930限定短路间隔940。如在图9中可见的，峰值脉冲910在焊接工艺期间以有规律的间隔被激发。在任何给定的周期期间，短路情况可以发生或者可以不发生。然而，在电弧长度相对短(即，焊条相对靠近工件操作)的焊接工艺期间，短路可以发生在几乎每个脉冲周期中。

根据方法800，脉冲周期内短路出现和/或短路清除的时间被确定并且逐个脉冲周期被追踪。以这种方式，控制器170可以估计在下一个或接下来的脉冲周期中可能将会出现的短路间隔的位置。然而，在脉冲焊接工艺开始时，在任何实质性追踪信息是可获得的之前，短路间隔的位置可以为基于例如经验数据或者来自前一焊接工艺的储存数据的储存的默认位置。消隐信号172可以被调试或者改变来在消隐信号172中形成消隐间隔960，消隐间隔960在时间上交叠下面的脉冲周期(一个或多个)的估计的短路间隔940。理想地，消隐间隔960在下一脉冲周期的短路间隔940之前不久(例如，在时间920之前)开始并且在下面的脉冲周期的短路间隔940之后不久(例如，在时间930之后)结束，由此时间交叠。在一个实施方案中，只追踪短路出现的时间，而不追踪短路清除的时间。在这样的实施方案中，基于经验知识，消隐间隔的持续时间被设置为持续足够长来用于清除短路。

以这种方式，下一脉冲周期期间的短路的实际出现无需在开关模块110的开关111可以被断开之前被检测。在脉冲焊接工艺进行时，短路间隔的位置可以随着焊条和工件之间的距离的偏移或变化而偏移或变化。然而，在该实施方案中，由于短路间隔的位置随着时间被追踪，所以消隐信号的位置可以被调试来有效地遵循并且预计短路间隔。通过在消隐间隔960期间断开开关111，电流下降并且预期的是，系绳状部分将出现并且在消隐间隔960期间断开。

经验结果已经示出，在特定脉冲焊接情况下使用如本文所描述的开关模块110，清除短路时的焊接输出电流水平可以从约280安培减少到约40安培，使得所产生的飞溅的量有很大的不同。一般地，将电流减少到50安培以下似乎显著地减少飞溅。此外，行进速度(例如，60-80英寸/分钟)和沉积速率能够被保持。

在焊接焊条和工件之间出现短路的时间段期间减少焊接输出电流水平的其他装置和方法也是可能的。例如，在可替换的实施方案中，焊接电源的控制拓扑可以被配置来在短路的时间期间控制输出电流到被高度调整的水平。在短路间隔期间，电流可以控制短路电流到较低水平(例如，50安培以下)来减少飞溅。例如，参见图1，开关模块110可以被禁用或省略，允许电流在焊接输出电路路径中自由流动。控制器170被配置来命令波形发生器180在消隐间隔期间改变焊接工艺的输出焊接波形信号181的部分，来减少通过焊接输出电路路径的焊接输出电流。因此，在该可替换的实施方案中，控制器170通过波形发生器180和功率转换器120而不是经由开关模块110减少消隐间隔期间的电流。如果焊接电路的电感210是充分低的，则这样的可替换实施方案可以工作得相当好。

简要概述，公开了用于执行产生减少的飞溅的脉冲焊接工艺的电弧焊接机和方法。焊接机在推进的焊条和工件之间产生电流。焊接机具有短路检测能力，来在推进的焊条和工件之间出现短接电路时检测短路情况。焊接机被控制来减少在短路时间期间推进的焊条和工件之间的电流，以减少当短路被清除时熔融金属的飞溅。

本发明的实施方案包括用于减少脉冲弧焊工艺中的飞溅的方法。该方法包括使用焊接系统的控制器追踪在脉冲弧焊工艺的脉冲周期期间短路间隔出现的时间。追踪可以基于对在脉冲焊接工艺的脉冲周期期间短路出现的检测以及对在脉冲焊接工艺的脉冲周期期间短路清除的检测中的至少一个。该方法还包括基于所述追踪估计脉冲焊接工艺的至少下一脉冲周期的短路间隔的时间位置。该方法还包括基于所述估计确定至少下一脉冲周期的消隐间隔。该方法还可以包括基于消隐间隔生成至少下一脉冲周期的消隐信号。该方法还可以包括响应于消隐信号在消隐间隔期间增加焊接系统的焊接电路路径的阻抗，来减少在消隐间隔期间通过焊接电路路径的焊接电流。增加阻抗可以包括断开设置在焊接电路路径中的开关模块的电气开关。根据实施方案，电气开关与开关模块中的阻抗路径并联。该方法可以包括通过改变消隐间隔期间的焊接工艺的波形的部分，在至少下一脉冲周期的消隐间隔期间减少通过焊接系统的焊接电路路径的焊接电流，其中波形由焊接系统的波形发生器生成。根据实施方案，消隐间隔在时间上宽于至少下一脉冲周期的预期短路间隔并且在时间上交叠至少下一脉冲周期的预期短路间隔。

本发明的实施方案包括用于减少脉冲弧焊工艺中的飞溅的系统。该系统包括控制器，该控制器被配置用于在焊接系统的脉冲弧焊工艺的脉冲周期期间追踪短路间隔出现的时间。该控制器还被配置用于基于所述追踪估计脉冲焊接工艺的至少下一脉冲周期的短路间隔的时间位置。该控制器还被配置用于基于所述估计确定至少下一脉冲周期的消隐间隔。控制器还可以被配置用于基于消隐间隔生成至少下一脉冲周期的消隐信号。根据实施方案，消隐间隔在时间上宽于至少下一脉冲周期的预期短路间隔并且在时间上交叠至少下一脉冲周期的预期短路间隔。该系统还可以包括设置在焊接系统的焊接电路路径中并且可操作地连接到控制器的开关模块。开关模块被配置来响应于消隐信号在消隐间隔期间增加焊接系统的焊接电路路径的阻抗，来减少消隐间隔期间通过焊接电路路径的焊接电流。开关模块包括并联的电气开关和阻抗路径。控制器可以被配置用于命令焊接系统的波形发生器，来通过改变消隐间隔期间焊接工艺的波形的部分，在至少下一脉冲周期的消隐间隔期间减少通过焊接系统的焊接电路路径的焊接电流。控制器还可以被配置来检测脉冲焊接工艺的脉冲周期期间短路的出现，并且检测在脉冲焊接工艺的脉冲周期期间短路清除的出现。

本发明的实施方案包括用于减少脉冲弧焊工艺中的飞溅的方法。该方法包括使用焊接系统的控制器检测在脉冲弧焊工艺的脉冲周期期间的短路。该方法还包括在第一时间段增加焊接系统的焊接电路路径的阻抗，来响应于检测到短路而减少通过焊接电路路径的焊接电流。该方法还包括在第一时间段之后紧接着的第二时间段降低焊接系统的焊接电路路径的阻抗，来增加通过焊接电路路径的焊接电流。该方法还包括在预计清除短路时，在第二时间段之后紧接着的第三时间段增加焊接系统的焊接电路路径的阻抗，来减少通过焊接电路路径的焊接电流。增加阻抗可以包括断开设置在焊接电路路径中的开关模块的电气开关。降低阻抗可以包括闭合设置在焊接电路路径中的开关模块的电气开关。该方法还可以包括检测到短路已经被清除，并且响应于检测到短路已经被清除而降低焊接系统的焊接电路路径的阻抗。

本发明的实施方案包括用于减少脉冲弧焊工艺中的飞溅的方法。该方法包括使用焊接系统的控制器检测在脉冲弧焊工艺的脉冲周期期间工件和推进的焊条之间的短路。该方法还包括响应于检测其中的短路，在确定的时间段的至少一部分降低焊接系统的焊接电路路径的电流，在脉冲弧焊工艺的大部分脉冲周期期间，确定的时间段具有允许短路被清除而无需首先增加焊接电路路径的电流的持续时间。降低电流可以包括增加焊接电路路径的阻抗。增加阻抗可以包括断开设置在焊接电路路径中的开关模块的电气开关，其中开关模块包括与阻抗路径并联的电气开关。该方法还可以包括如果短路没有被清除，则在确定的时间段之后立即增加焊接系统的焊接电路路径的电流。增加电流可以包括降低焊接电路路径的阻抗。降低阻抗可以包括闭合设置在焊接电路路径中的开关模块的电气开关，其中所述开关模块包括与阻抗路径并联的电气开关。该方法还可以包括响应于检测到焊条和工件之间的短路而减慢推进的焊条的速度。减慢推进的焊条的速度可以包括关闭推进焊条的丝送进器的马达并且制动所述马达。根据各种实施方案，所述制动可以为机械制动或者电气制动。

注意的是，尽管上面的讨论一般地涉及以与焊接波形相同的极性清除短路，无论是DCEN还是DCEP，类似的逻辑和控制技术可以在本发明的实施方案中被使用，其中焊接波形是DCEN波形但是短路以EP(电极正)状态被清除。这将相对于图10-12在下面被进一步描述。

图10-12描绘用于脉冲焊接的进一步的设备和方法，以获得改善的性能、飞溅控制和热量输入。具体地，图10-12所示的实施方案利用DCEN焊接波形，其中短路以EP状态被清除，这将在下面被更详细地描述。

图10描述焊接系统1000的示例性实施方案，所述焊接系统1000在构造和操作方面类似于本文所描述的系统100，其中系统1000能够使用脉冲焊接(包括本文所讨论的实施方案)来焊接工件W。系统1000具有如上面所讨论的类似的部件，包括波形发生器180、功率转换器/逆变器120、分流器140、开关模块110、高速控制器170、电压反馈160、电流反馈150等等。然而，这个示例性实施方案还利用AC焊接模块1010。模块1010被构造和配置，以能够在焊接期间将AC焊接信号提供至工件，或者当期望时(例如在短路事件期间)至少改变焊接信号的极性。在图10所示的系统1000中，模块1010作为来自功率转换器/逆变器120的分开部件被示出，并且实际上，模块1010可以是被耦合到位于功率转换器/逆变器120壳体之外的电源供应器的分开模块。然而，在其他示例性实施方案中，模块1010可以与功率转换器/逆变器120一体被制成，以使它们是在单个壳体内。就上面所描述的实施方案来说，功率变换器/逆变器120可以是用于焊接应用能够输出焊接信号的已知的电源供应器模块的任何类型，并且如所示出的，可以包括至少一个变压器。如图10所示的AC焊接模块1010的配置意图是示例性的，并且本发明的实施方案不是限制于使用所示的配置，而是其他电路可以被用来提供如下面所描述的AC焊接信号。图10所示的模块1010在配置方面类似于在美国专利No.6,215,100中所描述的AC焊接电路，该美国专利No.6,215,100的全部内容通过引用被并入本文，并且更具体地，如关于被并入专利的图4所描述的。因为这个电路的操作和构造在被并入的专利中被详细讨论，以使讨论将不在本文被重复，因为它通过引用被并入。然而，为清楚起见，如图10所示的波形发生器/控制器180可以具体化为在No.6,215,100专利的图4中所示的控制器220。另外，即使高速控制器170与控制器180作为分开模块被示出，在其他实施方案中，高速控制器170可以与控制器180一体被制成。同样，如图10所示，在一些实施方案中，如在No.6,215,100专利中所一般地描述的，电流反馈150可以被直接耦合到控制器180，以使这个反馈可以被控制器180用于模块1010的控制。

在本发明的一些示例性实施方案中，开关模块110可以不在利用AC模块1010的实施方案中出现。这是因为开关Q1和Q2可以以类似于上面所描述的开关模块110的方式被利用。就是说，开关Q1和/或Q2在波形的不变极性部分期间可以以类似的方式被控制，以使开关模块110不被利用。

如图10所示，模块1010具有被用来控制电流流过电感器L1的两个开关Q1和Q2，以使电流通过焊条E和工件W的流动可以以这样的方式被控制，即信号的极性在焊接期间可以被颠倒。具体地，电流的流动可以被开关Q1和Q2控制，以使焊条E在焊接波形中的一些期间是正的，并且然后针对波形的剩余部分被切换为负的。当关闭开关Q1并且打开开关Q2时，电流流动是这样的以使焊条E具有正极性，并且当关闭开关Q2并且打开开关Q1时，焊条E具有负极性。缓冲器1011和1013以类似于上面所描述的电阻112的方式被使用，并且可以被用来实现STT型电路控制。

其他AC焊接电源供应器和AC焊接电路可以被采用，而不会偏离本发明的精神和范围。

如本申请的图5、图7和图9所示，当整个焊接形式具有一种极性(典型地为正)时，脉冲焊接可以被执行。这意味着贯穿焊接工艺，电流以单个方向流动。如早前所解释说明的，当以一种极性焊接时，以相反的极性清除短路可以是有优势的。当焊接波形是DCEN波形并且短路事件发生时特别是这样。已经发现，以电极正模式清除短路存在优势。

图11描绘依据本发明的示例性实施方案的电流波形1100。如可以看到的，波形1100主要是DCEN波形。在该实施例中示出的波形是示例性脉冲焊接波形，但是任何其他类型的DCEN焊接波形，包括但不限于表面张力过渡(STT)或者可以以DCEN模式焊接的任何其他波形，可以被采用。该波形出于示例性的目的被示出。

波形1100具有本底电流水平1101和多个脉冲1110，每个脉冲1110具有峰值电流水平1103。如所示出的，在脉冲1110之后短接事件1105发生，其中短路状况发生(或者将要发生)在焊条和工件之间。在本发明的实施方案中，当短路事件发生或者被检测到时，电源供应器(例如，如图10中所描述的)在短路清除功能实现之前将极性从DCEN切换为EP。因此，如所示出的，在短路事件时，波形1100的极性从EN切换为EP，以使当波形是EP状态时短路间隔1123出现。一旦在EP状态，电源供应器可以使用任何已知的短路清除脉冲1120或功能来清除短路。例如，标准短路清除功能可以被利用。可替换地，如图11所示，升压脉冲或等离子升压脉冲1121在短路已经清除之后可以被实现，以如所期望的提供焊条的进一步回烧。在清除短路之后升压脉冲或等离子升压脉冲的使用是已知的，并且不需要在本文被详细描述。

一旦短路清除脉冲1120或功能已经以EP状态被完成，电源供应器将波形1100的极性从EP切换为EN并且DCEN波形1100重新开始。例如，如所示出的，本底电流1101被达到并且保持直到下一个脉冲1110被触发。电流极性的切换可以通过例如图10所示的系统被完成。当然，能够以AC模式焊接的其他电源供应器可以被利用来实现本发明的实施方案。

如之前所解释说明的，已经发现，有时当短路以EN状态被清除时，这可以导致过多的飞溅。这可以归因于在短路以EN清除时向上推在焊条上的喷射力。已经确定的是，以EP状态清除短路导致更稳定的短路清除以及更少的飞溅。

本发明的方面可以以不同的方式被实现，这将在下面被简略地描述。就是说，在一些示例性实施方案中，从负极性到正极性的改变可以发生在短路发生(焊条和熔池之间的物理接触)时或之后，或者可以发生在实际的短路发生之前。在第一实施例中，电源供应器通过监测电压和/或电流来检测短路。这样的监测和检测一般地是已知的。当短路被检测到时，电源供应器切换电流的极性并且以EP状态驱动电流直到这样的时间，即，短路被清除并且焊接电弧被重建。当电弧被重建时，电源供应器再次切换极性以回到DCEN波形1100。在其他示例性实施方案中，电源供应器可以使用预告电路(一般地是已知的)，所述预告电路可以监测例如dv/dt，并且当短路事件被确定要即将发生时，电源供应器可以将波形1100的极性从EN切换为EP来清除短路。出于本申请的目的，短路事件的检测包括通过预告电路(诸如此类)的使用对实际短路状态的检测或者对即将发生的短路事件的确定。因此，本发明的实施方案可以使用任一短路事件的检测来触发极性的切换。

如上面所解释说明的，以EP状态的短路清除可以以任何数量的方式来进行，只要短路在波形1100回到EN状态之前被清除。图12是依据本发明的实施方案的短路清除事件的示例性表征。如所示出的，短路检测事件发生在点1105(无论它是实际短路还是短路将要发生的预告)，在短路检测事件之后，电源供应器(例如图10中的)如所示出的从EN状态到EP状态驱动电流。在示出的实施例中，电流被驱动到第一电流水平1123来建立电弧(所述第一电流水平1123足够来点燃焊接电弧)并且来开始清除短路，例如来开始焊条的颈缩。在第一电流水平1123之后，在短路正在被清除的同时电流被驱动到第二电流水平1125，其中第二电流水平1125小于第一电流水平1123。在该实施方案中，在短路在点1107被清除时，较低的第二电流水平将帮助防止太多飞溅的创建。在一些示例性实施方案中，在短路清除1107之后，波形可以被驱动回到EN状态。然而，在所示出的实施方案中，升压脉冲1121被利用来在回到EN状态之前回烧焊条并且确保电弧稳定，其中升压脉冲1121的电流峰值高于第一或第二电流水平中的任一个。在一些示例性实施方案中，电流在升压脉冲1121之后回到EN。然而，如图12所示，在其他示例性实施方案中，电弧稳定时段1127被这样实现，其中电流保持EP持续一段时间，同时电弧和焊缝熔池在电流回到EN状态之前稳定。在一些示例性实施方案中，电弧稳定时段是在0.5ms至5ms的范围内。在其他示例性实施方案中，如果需要的话范围可以是更长的。进一步地，在一些示例性实施方案中，电弧稳定时段的电流水平与EN波形1100的本底部分1101的电流水平相同。例如，如果本底水平1101是-40安培，时段1127的电流水平将是+40安培。在其他示例性实施方案中，电弧稳定时段1127的电流水平是在本底电流水平1101的85％至120％的范围内。在这样的实施方案中，稳定时段1127还可以在焊接期间被用来帮助对到焊缝中的热量输入的控制。就是说，电流水平可以被调整来确保足够的和/或稳定的热量输入是到焊缝中的。通过改变该电流水平，电源供应器可以使用EP稳定时段1127来控制到焊缝中的热量输入的方面。附加地，时段1127的持续时间可以由电源供应器(例如图10中的)来调整，以使热量输入如所期望的被控制。例如，如果期望增加到焊缝中的热量输入，电源供应器可以增加时段1127的电流水平和/或持续时间来增加到焊缝中的热量输入。进一步地，在本发明的其他示例性实施方案中，时段1127的电流水平小于本底水平1101的电流水平并且是在本底水平的75％至95％的范围内。(例如，如果本底水平是-50安培，范围将会是+37.5安培至+47.5安培)。在这样的实施方案中，在期望保持低热量输入这个意义上，来自时段1127的热量输入被保持为最小。

如之前所解释说明的，本发明的示例性实施方案不限于使用上面所讨论的电流波形或焊接工艺，并且其他焊接工艺可以被利用。例如，如图13所示，恒定电压型波形可以被使用，其中波形的大部分是在负极性而短路清除是在正极性。如所示出的，电压波形1300具有峰值1303和本底1301电压，所述峰值1303和本底1301电压是在负极性，但是当短路检测事件被检测到时，针对短路清除部分1305(电压)和1315(电流)，电压和电流被改变为正极性。在所示出的示例性实施方案中，等离子升压部分(1309和1319)在短路清除之后被实现。当然，在其他示例性实施方案中，等离子升压可以不被利用，或者说，其他后短路清除功能可以被使用。从负电流到正电流的转变可以如上面所描述的被实现。

如上面所描述的，各种方法(包括检测或预测短路事件的已知的方法)可以被用来检测或确定短路事件。例如，一些示例性实施方案可以使用检测到的电弧功率和/或电弧电压来确定短接事件何时将要发生或者已经发生。在示例性实施方案中，电压和/或功率的阈值可以被这样设置，以使当检测到的电压或功率超过电压和/或功率阈值时，极性上的改变被发起。例如，在一些实施方案中，阈值电压和/或功率水平基于期望的电弧长度被选择。这将确保在切换之前当电弧长度在期望的电弧长度或附近时，极性切换。在一些示例性实施方案中，期望的电弧长度是在0.2mm至0.5mm的范围内。这种控制方法在一些实施方案中可以是合乎期望的，因为当使用负极性时，电弧力向上推到消耗品上难于推到熔池上，并且因此电弧长度将迅速地增长。通过检测和利用瞬时功率和/或电压并且将其与阈值相比较(所述阈值对应于切换电弧长度)，极性可以在期望的点被切换。阈值功率和/或电压值可以基于与焊接工艺和操作相关的各种输入参数(包括使用者输入信息)被设置，并且使用查找表等等的电源供应器/控制器可以设置期望的极性切换功率和/或电压值。

在其他示例性实施方案中，电源供应器还可以利用电路来检测或确定焊接波形的比值dj/dt(输出焦耳的变化相对于时间的变化)，并且当检测到的变化率达到预先确定的阈值时，电源供应器从负极性切换为正极性。例如，当利用负脉冲焊接波形时，在每个脉冲期间大的熔球在焊条的端部被创建。dj/dt检测电路(其可以类似于di/dt或dv/dt电路被构建)可以存在于控制器170和/或发生器180中并且可以被用来预测熔球的尺寸或与短路事件的接近程度，并且当检测到的dj/dt比值达到预先确定的阈值或值时，电流从负极性切换到正极性。在示例性实施方案中，dj/dt预先确定的阈值或值基于与焊接操作相关的输入信息在控制器170中被确定，并且在焊接操作开始之前呈现，并且实际的dj/dt比值与该阈值相比较来确定电流何时应该从负极性切换为正极性。在本发明的示例性实施方案中，dj/dt比值可以与在焊条的端部上的熔球的相对尺寸相关联，以使当达到dj/dt阈值时，熔球已经准备好从焊条转移到熔池，但是熔球还没有与熔池形成接触。因此，在熔球转移之前，电流的极性从负切换为正但是停留在低电流水平，以使熔滴可以朝向熔池移动并且以相对低的电弧力接触熔池。一旦熔球接触熔池，则控制器以正极性启动短路清除功能并且一旦短路清除功能完成将极性切换回到负。通过使用低电流水平，在切换为正极性之后，熔球转移可以利用低电弧力以正极性发生，以提供稳定的并且受控的熔滴转移。在一些示例性实施方案中，在切换为正之后的低电流水平是在5安培至100安培的范围内，并且该电流水平被保持直到熔滴与熔池形成接触，在那时，短路清除功能被实现。在其他示例性实施方案中，电流是在5安培至40安培的范围内。

尽管已经参照特定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，并且可以替换等同物，而不会偏离本发明的范围。此外，可以进行许多修改来使特定情形或材料适应本发明的教导，而不会偏离本发明的范围。因此，不是意图将本发明限定为所公开的特定实施方案，相反，本发明将包括落入所附权利要求书范围的所有实施方案。

参考标号：

100 焊接系统 430 步骤

110 开关模块 440 步骤

111 电气开关 450 步骤

112 阻抗路径 500 输出电流波形

120 功率转换器 510 峰值脉冲

121 焊接输出 520 时间

122 焊接输出 530 时间

123 电源 540 间隔

124 二极管 610 熔融金属球

130 丝送进器 620 系绳状部分

140 分流器 630 飞溅

150 电流反馈传感器 700 波形

160 电压反馈传感器 710 峰值脉冲

161 信号 720 时间

162 信号 730 时间

170 高速控制器 740 间隔

171 信号 750 脉冲

172 信号 800 方法

180 波形发生器 810 步骤

181 信号 820 步骤

210 焊接电路电感 830 步骤

220 控制器 840 步骤

400 方法 850 步骤

410 步骤 900 波形

420 步骤 910 峰值形式

920 时间 1125 第二电流水平

930 时间 1127 电弧稳定时段

940 间隔 1300 电压波形

960 消隐间隔 1301 本底

1000 系统 1303 峰值

1010 模块 1305 短路清除部分

1011 缓冲器 1309 等离子升压部分

1013 缓冲器 1315 短路清除部分

1100 电流波形 1319 等离子升压部分

1101 本底电流水平 Q1 开关

1103 峰值电流水平 12 开关

1105 短接事件 E 焊丝

1107 清除/点 L₁ 电感器

1110 脉冲 W 工件

1120 清除脉冲

1121 等离子升压脉冲

1123 第一电流水平

Claims (10)

1.一种焊接设备，所述焊接设备包括：

焊接功率转换器，所述焊接功率转换器输出电流，所述电流是具有多个电流峰值部分和本底部分的DC电极负焊接波形，其中电流峰值部分中的每个的峰值电流大于所述本底部分的最高电流水平，其中所述焊接功率转换器将所述DC电极负焊接波形提供到焊条和至少一个工件来焊接所述至少一个工件；

短路检测电路，所述短路检测电路检测所述焊条和所述至少一个工件之间的短路事件；以及

AC焊接模块，所述AC焊接模块在检测到所述短路事件之后将所述DC电极负焊接波形的所述电流的极性从负改变为正，

其中在所述电流改变为正极性之后，所述焊接功率转换器输出短路清除电流来清除所述短路事件，并且在所述短路事件被清除之后，所述AC焊接模块将所述电流的极性从正改变为负，并且

其中在没有检测到所述短路事件的情况下，所述电流被保持为具有多个电流峰值部分和本底部分的所述DC电极负焊接波形。

2.如权利要求1所述的焊接设备，其中所述DC电极负焊接波形具有脉冲型焊接波形，所述脉冲型焊接波形具有多个脉冲，并且所述电流峰值部分中的每个是所述脉冲的峰值。

3.如权利要求1所述的焊接设备，其中所述短路事件的检测是在短路状况发生于所述焊条和所述至少一个工件之间之前。

4.如权利要求1所述的焊接设备，其中所述短路事件的检测是在短路状况发生于所述焊条和所述至少一个工件之间之后。

5.如权利要求1所述的焊接设备，其中在所述短路以所述正极性被清除之后，所述焊接功率转换器在所述极性从正改变为负之前输出电流升高脉冲。

6.如权利要求1所述的焊接设备，其中在所述短路以所述正极性被清除之后并且在所述极性从正改变为负之前，所述焊接功率转换器输出电弧稳定电流，其中所述电弧稳定电流被保持在0.5ms至5ms范围内的一段时间。

7.如权利要求6所述的焊接设备，其中所述电弧稳定电流的量值与所述本底部分的所述最高电流水平相同，但是处于正极性。

8.如权利要求6所述的焊接设备，其中所述电弧稳定电流的量值是在所述本底部分的所述最高电流水平的85％至120％的范围内，但是处于正极性。

9.如权利要求1所述的焊接设备，其中所述短路检测电路使用检测到的dj/dt比值以及所述检测到的dj/dt比值和预先确定的dj/dt阈值之间的比较来检测所述短路事件。

10.如权利要求1所述的焊接设备，其中所述检测到的短路事件是在短路状况存在于所述焊条和所述至少一个工件之间之前，并且所述AC焊接模块在所述短路状况存在之前切换到正极性，并且在切换到所述正极性之后，所述焊接功率转换器输出低电流水平来发起所述焊条和所述至少一个工件之间的接触，并且在所述接触之后，所述焊接功率转换器输出所述短路清除电流。