CN106607640B - 用于交流焊接的飞溅得到减少的焊接系统 - Google Patents

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Abstract

一种焊接系统包括焊接电源，该焊接电源提供呈具有一组正部和负部的选定波形的交流电，该负部由峰值、收尾、和本底相位组成，而该正部由峰值、收尾、和本底组成；其中，该电源在箍缩和分离相位期间提供斜升电流，在负峰值、收尾、和本底相位期间切换至电极接负电流，并且切换至后续电极接正部；其中，该正部可以在下一个短路事件之前重复。

Description

用于交流焊接的飞溅得到减少的焊接系统
技术领域
某些实施例涉及电弧焊接。更具体地，某些实施例涉及用于交流(AC)焊接的飞溅得到减少的系统。更具体地，某些实施例涉及一种焊接系统，该焊接系统包括电源，该电源提供呈具有多个相位的选定波形的交流电，其中，波形提供电极接正箍缩电流和分离相位、后续负极性峰值、收尾、和本底相位，并且在下一个短路事件之前切换至电极接正相位。
简要概述
本焊接系统的一个实施例包括焊接电源，该焊接电源提供呈具有一组正部和负部的选定波形的交流电，该负部由峰值、收尾、和本底相位组成，而该正部由峰值、收尾、和本底组成；其中，该电源在箍缩相位期间提供斜升电流，在由峰值、收尾、和本底相位组成的负部期间切换至电极接负电流，并且切换至后续电极接正部；其中，该正部可以在下一个短路事件之前重复。
根据该系统的另一个实施例，该波形是表面张力过渡波形。
根据该系统的另一个实施例，该波形是GMAW波形。
根据该系统的另一个实施例，该焊接电源包括波形发生器，该波形发生器被适配成用于提供所选定的波形，其中，该波形发生器被适配成用于基于预测模型基于dv/dt、阻抗、以及定时器中的至少一者检测短路状态(即，颈缩)的结束，其中，该电源在检测到该短路结束时切换至该电极接负电流。
根据该系统的另一个实施例，当电极接正时，该焊接电源提供该箍缩电流。
根据该系统的另一个实施例，该波形包括分离相位，并且其中，该焊接电源在该分离相位期间使用电极接正电流重新点燃电弧。根据该系统的另外一个实施例，在该分离相位之后，该波形切换至电极接负电流，该电极接负电流被适配成用于产生喷射力，该喷射力被适配成用于将该电极的远端推离焊接熔池。
根据该系统的另一个实施例，该波形进一步包括在该箍缩相位之前的本底相位和湿入(wet in)相位，其中，该本底相位和湿入相位是电极接正，该本底相位比该湿入相位处于更高的安培数。
根据该系统的另一个实施例，该焊接电源在该湿入相位期间提供从大约20amp到大约40amp的电流。
根据该系统的另一个实施例，在该负极性本底相位期间，该焊接电源提供在大约40amp到80amp范围内的电流。
根据该系统的另一个实施例，在该正极性本底相位期间，该焊接电源提供在大约40amp到80amp范围内的电流。
根据该系统的另一个实施例，在该负极性峰值电流相位期间，该焊接电源提供在大约150amp到350amp范围内的电流。
根据该系统的另一个实施例，该焊接电源提供在大约50amp到300amp范围内的均方根(RMS)电流。
根据该系统的另一个实施例，该一个或多个脉冲中的每个脉冲具有在大约0.5毫秒到2毫秒范围内的时长。
根据该系统的另一个实施例，该负部在该箍缩相位之后发生并且通过分离相位与该箍缩相位分开。
根据该系统的另一个实施例，该负收尾相位包括递减的电极接负电流。
根据该系统的另一个实施例，该焊机电源包括与状态函数发生器通信的控制器、与该状态函数发生器通信的数字信号处理器、与该数字信号处理器通信的逆变器，其中，该逆变器电连接至电源、开关电路和减流器。
根据该系统的另外一个实施例，该开关电路是H桥极性开关。
根据该系统的另外一个实施例，该状态函数发生器电连接至焊炬和工件中的至少一者以接收该焊炬和该工件的电压或电流反馈。
本焊接系统的另一个实施例包括焊接电源，该焊接电源被适配成用于向电极提供呈选定波形的交流电；其中，该电极是耗材，并且其中，该波形包括一个或多个相位，在该一个或多个相位期间，该电极在其外露端产生熔融熔滴，其中，当该熔融熔滴从该电极上分离时，该电极与工件之间发生短路；该焊接电源被适配成用于检测该短路并且在该熔融熔滴过渡到该工件上之后向该电极提供电极接负峰值电流；其中，该焊接电源产生将朝向工件推动由该熔融熔滴形成的熔池的喷射力。
根据另一个实施例，该波形是表面张力过渡波形。
根据本发明的实施例，电弧焊接工艺可以是使用例如氩和CO2作为保护气体、或使用CO2自己的气体保护金属电弧焊接(GMAW)工艺。焊接电极可以包括钢或不锈钢。根据本发明的实施例，本底电流电平可以是大约70amp，峰值电流电平可以是大约330amp，并且中间电流电平可以是大约210amp。根据本发明的实施例，增热电流脉冲的预定义脉冲率可以是大约333Hz，并且电弧焊接工艺的焊丝进给速度可以是大约每分钟150英寸。
根据另外一个实施例，一种用于通过产生电焊波形以在推进峰值电流焊接电极与金属工件之间产生一系列电弧脉冲从而进行电弧焊接过程的焊接系统，所述系统包括用于产生交流电的第一电子部件配置，该第一电子部件配置在所述电焊波形的本底电流相位、相位、和收尾电流相位中提供交流电，其中，所述本底电流相位提供本底电流电平，所述峰值电流相位提供峰值电流电平，所述收尾电流相位提供递减的收尾电流电平；用于产生所述电焊波形的箍缩电流相位的第二电子部件配置，其中，所述箍缩电流相位提供递增箍缩电流电平；以及用于响应于所述电极与所述工件短路在所述本底电流相位结束时将所述电焊波形的电流电平减小到低于所述本底电流电平的第三电子部件配置，其中，所述第三电子部件配置施加电极接正电流从而在所述电极短路之后重新点燃该电弧；并且其中，所述第一电子部件配置在该峰值电流相位期间提供电极接负电流。
所要求保护的本发明的这些和其他特征及其所展示的实施例的细节将从以下描述和附图中得到更全面理解。
附图简要说明
图1是根据一个实施例的焊接系统的局部示意图；
图1A是根据另一个实施例的焊接系统的局部示意图，其中，气体源流体连接至焊炬从而为焊接操作提供气体保护；
图1B是根据另一个实施例的焊接系统的局部示意图，其中，提供了熔剂源；
图2是根据一个实施例的焊接系统的电路图；
图3是根据一个实施例的焊接系统中使用的电弧焊接波形的周期的图示；
图4是在图3描绘的周期期间由根据一个实施例的焊接系统进行的电弧焊接过程的各阶段的图示；
图5是描绘了根据一个实施例的焊接系统的操作的流程图；
图6是描绘了根据一个实施例的焊接系统的功能框图；
图7是根据一个实施例的电极的局部示意图，描绘了从电极朝向工件上的焊接熔池的、使用交流电源波形创造的电子流产生的喷射力；并且
图8是类似于图7的电极的局部示意图，描绘了使用直流电源的电极的电子流。
详细说明
参照图1，示出了根据一个实施例的焊接系统100。焊接系统100通常包括向用于形成焊接点的器具140提供电流的焊接电源120。电源120可以包括在130总体指示的控制器，该控制器具有输出端132，如显示屏、LED、或其他用于将信息传递给使用者或另一个设备的视觉设备、音响设备、或触觉设备。电源120还可以包括从外部源接收命令或其他信息的输入端134。输入端可以连接至另一个机器、悬吊控制器、或机载控件，如旋钮、开关、小键盘等等。来自外部源(包括使用者)的输入可以用于选择焊接工艺或在执行焊接操作过程中使用的定制设置、或与具体耗材或焊接器具140相关的设置。
焊接器具140可以是焊炬142。电源120电连接至由器具140提供的电极150，包括但不限于自耗电极，如推进焊丝、焊条等等。电源120通过接地电缆夹157等等进一步连接至工件210，从而形成焊接电路160。
在图1所示的实例中，在170总体指示的焊丝进给器连接至焊炬142，以便将将焊丝172从焊丝源174(如线轴、盒或其他包装)通过焊炬142递送向工件210。如图1A中所示，还提供了气体源180并且其流体连接至焊炬以便为在182指示的焊接操作提供气体保护。图1B示出了又另一个实施例，其中，提供了熔剂源190用于需要递送熔剂的埋弧焊或其他焊接操作。应理解，图中所示的实施例的不同部件可以根据给定应用的需要进行组合或互换。
图2是示出了根据本发明的电源120的细节的电路图。示意性示出了与电源120电连接的推进电极150朝向工件210送进。用于产生电焊波形周期300(图3)的系统100的一个示例性实施例。系统100是如本文中所描述的状态机类型的系统。林肯电气公司功率波TMS500系统是状态机类型的焊接系统的实例。
系统100包括位于基于状态的函数发生器420上的焊接程序410。根据本发明的实施例，基于状态的函数发生器420包括可编程的微处理器装置。焊接程序410包括用于生成电焊波形300的软件指令。该系统进一步包括操作性地接口连接至基于状态的函数发生器420上的数字信号处理器(DSP)430。该系统还包括操作性地接口连接至DSP 430上的高速放大器逆变器440。
DSP 430从基于状态的函数发生器420取其指令并且控制高速放大器逆变器440。高速放大器逆变器440根据来自DSP 430的控制信号435使高压输入功率441变换成低压焊接输出功率。例如，根据本发明的示例实施例，DSP 430提供控制信号435，这些控制信号确定高速放大器逆变器440的点火角(开关激活的定时)来产生电焊波形的各个相位。
高速放大器逆变器440的输出442和443分别操作性地连接至焊接电极150和工件210上以提供在电极150和与工件210之间形成电弧EA的焊接电流。系统100还包括感测电极150与工件210之间的电压并且感测流过电极150、工件210和高速放大器逆变器440形成的焊接电路的电流的电压和电流反馈能力470。基于状态的函数发生器420使用所感测到的电流和电压来检测电极150至工件210的短路(即，短路状况)并且检测熔化的金属球将要何时从电极150箍断(即，短路消除状况)。
系统100进一步包括以下更完整描述的减流器开关482。减流器480操作性地连接在高速放大器逆变器440的输出442与443之间。减流器480还操作性地接口连接至DSP 430上。当电极150与工件210之间发生短路状况时，DSP 430经由控制信号436命令减流器480将通过焊接电流的电流电平拉到低于预定义的本底电流电平。例如，如所示，减流器480可以包括彼此操作用于将电阻器484选择性地添加到操作性电路中以减少到达电极150的电流的开关482A和482B以及电阻器484。类似地，当短路消除状况(在此又称为分离)发生(即，熔化的金属球从电极150的远端箍断)时，DSP 430命令减流器480将通过焊接电路的电流电平拉到低于预定义的本底电流电平。极性的控制(即，电极接正或电极接负电流的施加)可以由在490总体指示的极性控件来调节。例如，极性控制器490可以包括H桥极性开关492或能够控制电流极性的其他合适的固态部件或可编程控制器。
图3展示了在电弧焊接过程200中使用的电焊波形305的周期300的示例性实施例。图4展示了在使用图3中的电弧焊接波形的周期300内电弧焊接过程的各个阶段(A-E)，示出了焊接电极150与金属工件210之间的关系。在电弧焊接过程中，焊接系统100提供呈选定波形305的电流以产生电弧脉冲。一般而言，周期300在电弧焊接过程中定期重复以产生所得焊接点。然而，如以下更完整描述的，可以在没有相同数量的脉冲和可能没有周期300内的某些相位的情况下重复周期300。
电焊波形305的周期300包括提供正极性本底电流电平311的正极性本底电流相位310、提供单调递增的箍缩电流电平321的正箍缩电流相位320、提供负极性峰值电流电平331的负极性峰值电流相位330、以及提供递减的收尾电流电平341的负收尾电流相位340。
在正极性本底电流相位310期间，电弧EA维持在电极150与工件210之间，从而在电极150的远端155上产生熔化的金属球220(参见图4中的阶段A)。在阶段B，仍然连接至电极150上的熔化的金属球220短路连接至工件210。当发生短路时，电弧EA熄灭并且波形305的电流电平下降到低于本底电流电平311，达到电流电平312，从而允许熔化的球220变湿进入工件210上的熔池中。根据图3中描绘的实施例，当熔化的金属球220短路并分离时，焊接系统100向电极150提供电极接负电流。
在正极性箍缩电流相位320期间，波形305的电流电平单调递增(例如，斜坡式上升)到高于本底电流电平311，从而提供递增箍缩电流电平321，该箍缩电流电平引起短路的熔化的金属球220开始从电极150的远端箍断进入工件210的熔池中，如图4中的阶段C所示。当熔化的金属球220将要从电极150箍断时，波形305的电流电平再次下降到低于本底电流电平311达到避免飞溅的电流电平314，并且在电极150与工件210之间重新建立电弧EA。
一旦重新建立电弧EA，波形305进入负极性峰值电流相位330。在负极性峰值电流相位330期间，波形305的电流电平增加到并且保持在负极性峰值电流电平331。根据实施例，峰值电流电平331通常是波形305的最高电流电平并且在电极150与工件210之间建立具有足够强度的电弧EA从而开始在电极150的远端形成下一个熔化的金属球220。
在负极性峰值电流相位330之后，波形305进入负极性收尾电流相位340。在负极性收尾电流相位340期间，波形305的电流电平向负本底电流电平341减小，从而提供递减的收尾电流电平。在所示实例中，收尾递减以指数方式进行(图3)。波形305的电流将热量输入到焊接点中。
在负本底电流341之后，进入正极性部，从而提供正极性电流。在正极性部期间，产生至少一个增热电流脉冲，从而提供振幅介于本底电流电平311与负极性峰值电流电平331之间的中间电流电平351。增热电流脉冲可以在正极性部内周期性进行重复直至熔化的金属球220与工件210之间发生下一个短路，此时，电弧EA熄灭并且波形305的电流电平下降到低于本底电流电平311达到电流电平312，从而允许下一个熔化的球220变湿进入工件210上的熔池中(阶段B)。
增热电流脉冲350用于重新加热该熔池和周围区域以增加穿透。增热电流脉冲350提供的这种热量增加在例如焊接开根点时是令人期望的，以便提供更好的穿透而不增加熔池的流动性。增热脉冲关于横跨电弧过渡熔滴在振幅上没那么大并且关于促使高于短电弧的焊接系统转变成球状过渡在脉宽上没有那么宽。再次，一般而言，周期300在电弧焊接过程中定期重复以产生所得焊接点。然而，周期300可以在没有相同数量的增热脉冲350的情况下并且如果没有发生短路可能在没有箍缩电流相位320的情况下进行重复。
根据一个实施例，波形305用于进行表面张力过渡过程(STT)，其中，熔融熔滴形成在电极150的末端并且变湿进入工件210或焊接熔池。在其他实施例中，STT过程不依赖于拉动焊道，并且通过在电弧EA产生的电磁力从远端射出焊道。在此描述的实施例可以用于任何焊接工艺，包括MIG/MAG、GMAW、SMAW、FCMAW等等。
参照图3，电源120在正极性本底相位310期间提供正极性本底电流311。参照图2，湿入相位包括断开以下更完整描述的开关482，从而增大电阻和减小到熔滴的电流。熔滴变湿进入工件或由之前的熔滴形成的焊接熔池。湿入相位的安培数总体上低于本底电流并且根据具体硬件(即，工件材料、电极材料和电源)而不同。在所示实例中，湿入安培数在大约20amp到大约40amp的范围内。湿入相位的时长可以不同以允许熔滴足够的时间变湿进入熔池或工件。在湿入之后，闭合开关以减少电阻和逐步提高电流电平以开始箍缩相位。如所讨论的，箍缩相位包括斜升电流以箍断熔融熔滴并且将其从电极150的远端射出。
举例来讲，根据本发明的实施例，电弧焊接工艺是使用氩和二氧化碳作为在STT过程中应用的保护气体的气体保护金属电弧焊接(GMAW)工艺。本底电流电平311是大约70amp，峰值电流电平331是大约330amp，并且中间电流电平351是大约210amp。单个增热脉冲350的脉宽是大约1毫秒并且可以大约每3毫秒重复一次，直到本底电流相位310期间的三到六个脉冲。周期300的时长是大约15毫秒。
图6展示了用于产生图1中的电焊波形305的系统600的第一示例性实施例的功能框图。系统600提供发电能力(通过交流电源610)和用于产生调制波形305’的调制波形发生和成形能力620。系统600还在短路检测器/短路消除预测器630提供短路检测和征兆检测(短路消除预测)能力以检测电极150与工件610之间何时发生短路状况并且当熔化的金属球(例如，220)箍断进入工件210上的熔池中时预测短路状况将要何时终止(短路消除状况)。
调制波形发生和成形能力620所产生的调制波形305’用于调制发电能力610，该发电能力以电焊波形305的形式向电极150和工件210提供电流。调制波形发生和成形能力620包括周期性基本波形发生能力621。图3和图4展示了图6中的系统600的不同能力所产生的调制波形305’的各部分的示例性实施例。图3展示了周期性基本波形发生能力621产生的周期性基本波形周期300。周期性基本波形发生能力621以周期性方式提供调制波形305’的本底电流相位310、峰值电流相位330、和收尾电流相位340的发生。
调制波形发生和成形能力620还包括箍缩电流相位发生能力622。图3展示了具有箍缩电流相位320的周期性基本波形部300。根据本发明的实施例，可以使用调制波形发生和成形能力620的信号求和能力623来将箍缩电流相位320与周期性基本波形部300求和。
调制波形发生和成形能力620包括具有峰值、收尾、和本底电流发生能力624A的负极性部。图3展示了具有处于电平341的峰330、收尾340和本底的周期性负极性部。
调制波形发生和成形能力620进一步包括具有正峰值、收尾、和本底相位的正极性部624B，被称为增热脉冲发生能力。图3进一步展示了具有增热脉冲350、在负极性部之后切入的周期性正极性部。根据本发明的实施例，可以使用调制波形发生和成形能力620的信号切换能力625在本底电流相位310期间切入增热电流相位350。
调制波形发生和成形能力620还包括子本底电流电平发生(减流)能力626。图3展示了具有子本底电流湿入部312的周期性基本波形。当检测到时，可以出现另一个子本底电流部。
产生的调制波形305’用于将发电能力610调制成向如图1和图2中所示的电极150和工件210提供电焊波形305的各个部分的实际电流电平(311，312，314，321，331，341，351)。如本文中所使用的，术语“电流电平”是指基本上稳定但由于产生电焊波形的在某种程度上的不正确性质而可能具有一些变化的电流振幅。
在使用系统600的焊接过程中，短路检测和短路消除预测能力630监测电极150和工件210处的电流和电压并且检测电极150与工件210之间何时发生短路状况并且还预测短路状态将要何时终止(短路消除状况)。当发生短路状况时，响应于检测到短路状况，子本底电流电平能力626立即将波形305的低于本底电流电平311的电流电平拉到电流电平312，从而如本文中之前所描述的，允许熔化的金属球变湿进入工件210上的熔池中。然后，箍缩电流相位发生能力622将单调递增的箍缩电流电平621施加于波形305。
当预测到短路消除状况(即，熔化的金属球将要从电极的远端箍断)时，响应于预测到短路消除状况，子本底电流电平能力626再次将波形305的电流电平拉到低于本底电流电平311达到电流电平314，以便避免飞溅。根据一个实施例，重新点燃能力628提供电极接正电流电平314从而更稳定且飞溅更少地重新点燃电弧。
另外，波形发生和成形能力620的定时能力627被触发。定时能力627对负峰值电流相位330和收尾电流相位340占用的时间段进行倒计时，直至波形305切换到在正峰值电流相位350开始的正极性部。
根据本发明的实施例，定时能力627预编程有在短路消除状况、进入负部与在进入正极性部之前的后续时间量之间发生的时间量。一旦定时能力627完成倒计时，表明已经进入正极性本底电流相位310，信号切换能力625就被触发从而重复波形305的正极性部，直至检测到下一个短路状况。可以根据工件或电极材料的类型预选或定制脉冲振幅和时长。在所示实例中，结合具有大约0.045英寸厚度的钢工件，在每分钟大约150英寸的焊丝进给速度下以大约333Hz的速率施加脉冲。可选地，对于对热输入可能更敏感的薄壁工件或工件材料，如铝，或者通过切换到电极负增热脉冲可以获得对热输入更大的控制。
图6中的系统600的各种功能能力可以使用可以包括模拟和/或数字电子部件的电子部件配置来实施。这种电子部件配置可以包括(例如)脉冲发生器、定时器、计数器、整流器、晶体管、逆变器、振荡器、开关、变压器、波形成形器、放大器、状态机、数字信号处理器、微处理器、和微控制器。这种配置的各部分可以是可编程的，以便提供实现方式的灵活性。这种电子部件配置的不同实例可以在第4,972,064号美国专利、第6,051,810号美国专利、第6,498,321号美国专利、和序列号11/861,379美国专利申请中找到，其中每个专利通过引用以其全部内容结合于此。
根据本发明的实施例，系统600包括用于产生电焊波形305的本底电流相位310、峰值电流相位330、和收尾电流相位340的第一电子部件配置。系统600进一步包括用于产生电焊波形305的箍缩电流相位320的第二电子部件配置。系统600进一步包括用于使用电极接正电流重新点燃电弧的第三电子部件配置。系统600还包括用于在本底电流相位310期间产生电焊波形305的至少一个增热电流脉冲350的第四电子部件配置。
根据本发明的实施例，系统600还包括用于响应于电极短路连接至工件上从而允许熔滴变湿进入工件210或焊接熔池220而在本底电流相位310结束时将电焊波形305的电流电平减小到低于本底电流电平的第五电子部件配置。系统200进一步包括用于预测到熔滴与电极150分离而在箍缩电流相位320结束时将电焊波形305的电流电平减小到低于本底电流电平的相似电子部件配置。
第一至第五电子部件配置可能不一定独立于彼此而是可以共享某些电子部件。例如，根据本发明的实施例，第一配置中的电子部件中的许多电子部件可以与第三配置中的电子部件中的许多电子部件相同。类似地，第四配置中的电子部件中的许多电子部件可以与第五配置中的电子部件中的许多电子部件相同。根据本发明的各实施例，其他共享部件也是可以的。
图6中的功能实施方式展示了一个示例性实施例。其他实施例也是可以的。例如，根据另一个实施例，箍缩电流相位320可以经由信号切换能力625被切入调制波形305’，而不是经由信号求和能力623被求和。类似地，增热脉冲350可以经由信号求和能力623被求和到调制波形305’中，而不是经由信号切换能力625被切入。其他修改后的实施例也是可以的，这些实施例结果是产生图1中的电焊波形305或在本底电流相位期间具有至少一个增热电流脉冲的类似波形。
图5展示了使用系统100的部件和能力以及如图3描绘的波形进行交流电弧焊接过程的方法500的第一示例性实施例的流程图。在步骤510，提供正极性电流并将其调节至本底电流电平311以在电极150与工件210之间维持电弧EA，从而在电极150的远端155产生熔化的金属球220。在步骤520，响应于熔化的金属球220与工件210短路并熄灭电弧EA，例如通过向焊接电路添加电阻，电流下降到低于本底电流电平311。保持电流电平的下降以允许熔化的金属球220变湿进入工件210上的熔池。在步骤530，自动将输出电流电平增加到高于本底电流电平311从而引起熔化的金属球220从电极150的远端155箍断。如所讨论的，可以按照线性函数进行增加从而使电流斜升，直至在535预测到分离。
在步骤540，当熔化的金属球220从电极150的远端箍断到工件210上时，将输出电流电平减小到低于本底电流电平311，从而使用电极正电流在电极150与工件210之间重新点燃电弧EA。在步骤550，响应于重新建立电弧EA，将极性变为电极接负并且将输出电流电平增加到波形305的峰值电流电平331。在步骤560，转变到正极性部，从而在电极150的远端155上产生下一个熔化的金属球220。在步骤570，如果需要额外热量，进行步骤575以根据需要在位于本底电流电平311与峰值电流电平331之间的中间电流电平351下、以预定义脉冲速率施加增热脉冲，直至在下一个熔化的金属球220之间建立下一个短路。在步骤580，如果电弧焊接过程没有完成，则继续返回至步骤520，否则，结束。
根据上述实施例，提供呈波形305的交流电源产生具有图7所描绘的电子流的电弧EA。以此方式，系统100施加用箭头指示的、与相对于电极150漫射的电子流相对应的喷射力710。如所示，来自电极150的电子流以距离电极的中心的距离渐增的方式以接触工件的径向电弧的形式从电极150和熔融熔滴220向下放射。以此方式，系统100在发弧阶段期间向基础焊接熔池P施加喷射力710并且当熔融熔滴220与电极150分离时向熔融熔滴施加更均匀分布的向外的力。喷射力710将熔融金属熔滴220推送到熔池P中并且以均匀的力分布从电极向外推动熔池P，从而当熔融焊接材料硬化时产生更好的焊道形状。更稳定的电子流图样和产生的喷射力通过在熔滴分离并且过渡到熔池P时施加更均匀的力并且还通过减小可能引起熔滴的尾部在重新点燃电弧过程中分解的不稳定性来进一步减少飞溅的可能性。相比之下，以相同的波形305施加直流电(DC)产生图8中描绘的聚焦电子流和集中的力。所产生的力排斥熔滴并且可以是不均匀或不稳定的，使得产生的焊接熔池P不规则或当硬化时不具有期望的形状。实际上来讲，焊道外观的缺陷可能需要后续机加工或者如果焊道无效，则可能需要重做焊接点。
总之，本焊接系统的第一实施例包括焊接电源，该焊接电源提供呈具有一组正部和负部的选定波形的交流电，该负部由收尾、和本底相位组成，而该正部由峰值、收尾、和本底组成；其中，该电源在箍缩并分离相位期间提供斜升电流，在负峰值、收尾、和本底相位期间切换至电极接负电流，并且切换至后续电极接正部；其中，该正部可以在下一个短路事件之前重复。
根据该系统的另一个实施例，该波形是表面张力过渡波形。
根据该系统的另一个实施例，该波形是GMAW波形。
根据该系统的另一个实施例，该焊接电源包括波形发生器，该波形发生器被适配成用于提供所选定的波形，其中，该波形发生器被适配成用于基于预测模型基于dv/dt、阻抗、以及定时器中的至少一者检测短路状态(即，颈缩)的结束，其中，该电源在检测到该短路结束时切换至该电极接负电流。
根据该系统的另一个实施例，当电极接正时，该焊接电源提供斜升电流。
根据该系统的另一个实施例，该波形包括分离相位，并且其中，该焊接电源在该分离相位期间使用电极接正电流重新点燃电弧。根据该系统的另外一个实施例，在该分离相位之后，该波形切换至电极接负电流，该电极接负电流被适配成用于产生喷射力，该喷射力被适配成用于将该电极的远端推离焊接熔池。
根据该系统的另一个实施例，该波形进一步包括在该箍缩相位之前的本底相位和湿入(wet in)相位，其中，该本底相位和湿入相位是电极接正，该本底相位比该湿入相位处于更高的安培数。
根据该系统的另一个实施例，该焊接电源在该湿入相位期间提供从大约20amp到大约40amp的电流。
根据该系统的另一个实施例，在该本底相位期间，该焊接电源提供在大约50amp到75amp范围内的本底电流。
根据该系统的另一个实施例，在该峰值电流相位期间，该焊接电源提供在大约100amp到250amp范围内的电流。
根据该系统的另一个实施例，该一个或多个脉冲中的每个脉冲具有在大约0.5毫秒到2毫秒范围内的时长。
根据该系统的另一个实施例，该负极性部在该箍缩相位之后发生并且通过分离相位与该箍缩相位分开。
根据该系统的另一个实施例，该负收尾相位包括递减的电极接负电流。
根据该系统的另一个实施例，该焊机电源包括与状态函数发生器通信的控制器、与该状态函数发生器通信的数字信号处理器、与该数字信号处理器通信的逆变器，其中，该逆变器电连接至电源、开关电路和减流器。
根据该系统的另外一个实施例，该开关电路是H桥极性开关。
根据该系统的另外一个实施例，该状态函数发生器电连接至焊炬和工件中的至少一者以接收该焊炬和该工件的电压或电流反馈。
本焊接系统的另一个实施例包括焊接电源，该焊接电源被适配成用于向电极提供呈选定波形的交流电；其中，该电极是耗材，并且其中，该波形包括一个或多个相位，在该一个或多个相位期间，该电极在其外露端产生熔融熔滴，其中，当该熔融熔滴从该电极上分离时，该电极与工件之间发生短路；该焊接电源被适配成用于检测该短路的分离并且在该熔融熔滴过渡到该工件上之后向该电极提供电极接负峰值电流；该焊接电源被适配成用于在熔融熔滴过渡之后从电极接正切换到电极接负；其中，该焊接电源产生将朝向工件推动由该熔融熔滴形成的熔池P的喷射力。
根据另一个实施例，该波形是表面张力过渡波形。
根据本发明的实施例，电弧焊接工艺可以是使用例如氩和CO2作为保护气体、或使用CO2自己的气体保护金属电弧焊接(GMAW)工艺。焊接电极可以包括钢或不锈钢。根据本发明的实施例，本底电流电平可以是大约70amp，峰值电流电平可以是大约330amp，并且中间电流电平可以是大约210amp。根据本发明的实施例，增热电流脉冲的预定义脉冲率可以是大约333Hz，并且电弧焊接工艺的焊丝进给速度可以是大约每分钟150英寸。
虽然已经参照某些实施例描述了本发明，但本领域的普通技术人员将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以做出各种改变并且替换等效物。此外，可以进行许多修改以使具体的情况或材料适应本发明的传授内容而不脱离其范围。因此，所旨在的是本发明并不受限于所披露的这些具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (12)

1.一种焊接系统，包括：
焊接电源，该焊接电源提供呈选定波形的交流电，该波形具有正极性箍缩相位和正极性分离相位、包括负峰值电流相位、负收尾相位、负本底相位的负极性部、以及包括正峰值电流相位、正收尾电流相位和正本底相位的后续正极性部；其中，该焊接电源在该正极性箍缩相位期间提供斜升电流，
其中，该焊接电源在该正极性分离相位期间使用低于该正本底相位的正极性电流电平重新点燃电弧，并且
其中，在该电弧被点燃时，该波形从该正极性分离相位直接切换至该负峰值电流相位，以便将电极的远端推离焊接熔池。
2.如权利要求1所述的焊接系统，其中，该波形是表面张力过渡波形。
3.如权利要求1所述的焊接系统，其中，该波形进一步包括在该正极性箍缩相位之前的另一个本底相位和湿入相位，其中，该另一个本底相位和湿入相位是电极接正，该另一个本底相位比该湿入相位处于更高的安培数。
4.如权利要求3所述的焊接系统，其中，该焊接电源在该湿入相位期间提供从20amp到40amp的电流。
5.如权利要求1所述的焊接系统，其中，在该正本底相位期间，该焊接电源提供在20amp到100amp范围内的本底电流。
6.如权利要求1所述的焊接系统，其中，在该负峰值电流相位期间，该焊接电源提供在150amp到350amp范围内的电流。
7.如权利要求1所述的焊接系统，其中，该焊接电源包括与状态函数发生器通信的控制器、与该状态函数发生器通信的数字信号处理器、与该数字信号处理器通信的逆变器，其中，该逆变器电连接至电源、极性开关电路和减流器。
8.如权利要求7所述的焊接系统，其中，该开关电路是H桥极性开关。
9.如权利要求7所述的焊接系统，其中，该状态函数发生器电连接至焊炬和工件中的至少一者以接收该焊炬和该工件的电压或电流反馈。
10.如权利要求1所述的焊接系统，其中，在紧随熔融熔滴与该焊接熔池分离之后，该波形在重新点燃该电弧期间仅以低于该正本底相位的该正极性电流电平从正极性切换为负极性。
11.一种焊接系统，包括：
焊炬；
焊丝进给器，该焊丝进给器连接到该焊炬以向该焊炬递送焊接电极；
焊接电源，该焊接电源在该焊接电极和工件之间提供周期性的交流电流焊接波形，其中，该周期性的交流电流焊接波形包括：正极性本底电流部分；
在该焊接电极到焊接熔池的短路状况期间的斜升正极性的箍缩电流部分；
直接在该箍缩电流部分之后的正极性分离相位，其中，该正极性分离相位具有低于该正极性本底电流部分的电流水平，并且其中，该焊接电源在该正极性分离相位期间重新点燃该焊接电极和该工件之间的电弧；
负极性峰值电流相位，其中，该焊接波形在该电弧被点燃时从该正极性分离相位直接切换至该负极性峰值电流相位，以便将电极的远端推离焊接熔池；
在该负极性峰值电流相位之后的负极性收尾相位和负极性本底相位；以及
在该负极性本底相位之后的另外的正极性部分。
12.如权利要求11所述的焊接系统，其中，在紧随熔融熔滴与该焊接熔池分离之后，该焊接波形在重新点燃该电弧期间仅以低于该正极性本底电流部分的电流电平从正极性切换到负极性。
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