CN108112239B - 具有输入电流限制的焊接的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种用于提供焊接型功率的方法和设备。所述系统包括功率供应器、送丝机和控制器。当输入电流超出用以防止电焊机所连接的功率线上的断路器跳闸的值时，送丝速度减小。速度减小基于超出阈值的电流消耗的平均值。如果所述输入电流超出第二阈值，那么输出电压减小。

Description

具有输入电流限制的焊接的系统和方法

技术领域

本公开通常涉及提供焊接型功率的技术。更具体地，本公开涉及与送丝机一起使用的焊接型功率供应器。

背景技术

存在用于焊接和切割系统的许多应用，该焊接和切割系统用于将两个或更多个工件彼此结合，或切割工件。这些应用存在于各种行业中，而且用于构建、船只建造、维护，等等。在电弧焊接系统中，电力转换成用于焊接过程的形式，并且功率提供所需电压和电流以建立并保持电极和工件之间的电弧。等离子体切割和类似操作也要求适于具体过程的所调节功率。在气体保护金属极电弧焊(GMAW)中，电弧建立于电极和工件自身之间，该电极朝向工件行进。电极通常由送丝机提供，该送丝机为焊接型系统的一部分。随着焊池在操作期间行进，电极由于被添加至焊接而消耗。

具有送丝机的一些现有技术GMAW系统允许用户设定送丝速度和输出电压。送丝速度通常被用户称为“加热”并且电压称为“铺展”。较高送丝速度对于较高烧掉速率而言需要较大电流以保持相同电弧电压。现有技术焊接型系统可为电压控制(CV)的或电流控制(CC)的。

在焊接和切割功率供应器中，电力电子电路通常被接通和切断以控制用于该过程的期望功率输出。切换通常由施加至功率供应器内的转换器电路的电力电子开关的门极的脉宽调制(PWM)信号执行。常规系统在该转换器电路中利用单个逆变器，该逆变器连同感应器一起以使输出波形平滑。然而，此类系统中的感应器可能是非常大的，从而增加额外成本和重量。这些系统中的改进已包括使用两个或更多个逆变器或转换器，该逆变器或转换器进行切换以提供期望输出。因此，输出电流的波纹幅值减小，因而减小输出感应器的尺寸，或在一些情况下消除输出感应器。一种改进的现有技术系统描述于美国专利公布2014-0376268(据此以引用方式并入)中。

焊接通常为高功率过程，并且焊接型系统通常消耗接近对焊接型系统供能的电路的容量的电流。焊接型系统已变得有效率的，并且现以高功率因数制备以减小消耗断路器跳闸的太多输入电流的可能性。然而，当在接近系统的最大输出下操作时，一些焊接型系统以各种输入使用，诸如240V/460V或120V/240V，并且其尤其地难于以较低电压消耗足够输入电流。例如，Millermatic 211Autoset

电焊机可在120V和240V下操作，并且当在20安120V输入下操作时，在缺乏某种输入电流限制的情况下，可能使断路器跳闸。

现有技术焊接型系统通常简单地允许外部电路断路器(即，焊接型系统所插入的电路中的断路器)跳闸。这迫使用户停止焊接过程，重置断路器，并且关闭焊接型系统输出以避免另一断路器跳闸。当然，这对用户来说是令人沮丧的。其它现有技术系统将焊接型系统的初级电路中的电流限于避免断路器跳闸的水平。这必然地减小次级电路电流，这通常致使电弧阻滞。这对用户而言也是令人沮丧的，此时他们不必重置断路器，直至他们减小输出设定值，焊接可阻滞。

一些焊接过程在存在电弧并且无短路的情况下被最佳地执行。然而，电极有时对工作而言不经意地变短。其它焊接过程以电弧状态和短路状态之间的有意的交替来执行。当短路形成时，电弧电压降低，并且电流升高。用以避免过量电流消耗(和断路器跳闸)的现有技术努力为当断路器将要跳闸时进行检测。然后，输出电压减小。然而，简单地减小电压致使焊接过程在短路状态上花费较多时间并在电弧状态上花费较少时间，从而导致较高平均电流。这进一步导致电压减小，该电压减小导致甚至更大的电流，等等。该方案有助于避免断路器跳闸，但致使电弧/焊接阻滞。

因此，需要这样的焊接型系统：当在断路器限值附近操作时，该焊接型系统避免外部电路断路器跳闸。优选地，这是在不致使电弧和焊接阻滞的情况下实现。

发明内容

根据本公开的第一方面，焊接型系统包括功率供应器、送丝机和控制器。功率供应器接收输入电流和控制输入，并且提供焊接型功率输出。送丝机从功率供应器接收功率，并且具有送丝速度控制输入。控制器具有连接至送丝速度控制输入的送丝速度控制输出，并且控制送丝速度。控制器还具有功率命令输出以控制功率供应器。控制器中的输入限制模块具有反馈输入和限制输出。送丝速度控制输出响应于限制输出，并且因此输入电流响应于输入限制模块。

根据本公开的第二方面，提供焊接型功率的方法包括将输入电流接收在功率电路和切换功率电路以向电弧提供焊接型功率输出。焊丝以用户设定速度进给至电弧，并且然后响应于输出电流的平均值超出期望阈值而减小到用户设定值以下。

在各种替代实施例中，功率供应器为受控电压功率供应器或受控电流功率供应器。

在另一替代实施例中，反馈电路向反馈输入提供响应于焊接型系统的输入电流和输出电流中的一者或两者的信号。

在一个实施例中，输入限制模块包括比较器，该比较器接收阈值并接收反馈输入，并且限制输出响应于比较器。

在各种实施例中，输入限制模块包括求平均模块，该求平均模块对阈值和反馈输入之间的差值进行平均，并且限制输出响应于平均值。

在另一替代实施例中，控制器包括连接至功率供应器的电压命令输出，并且具有输出电压限制模块，该输出电压限制模块具有响应于第二阈值和反馈输入之间的比较结果的电压限制输出，并且电压命令输出响应于电压限制输出。

在一个实施例中，限制输出响应于指示焊丝尺寸的用户输入。

在另一个实施例中，阈值基于输入电流和断路器特性而确定。

在查看下述附图、具体实施方式和所附权利要求书时，其它原理特征和优点对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。

附图说明

图1为焊接型系统的框图；

图2为用以限制焊接型系统的送丝速度和输入电流的控制方案的流程图；和

图3为用以限制焊接型系统的输出电压的控制方案的流程图。

在详细解释至少一个实施例之前，应当理解，在本申请中本发明不限于在如下描述中所阐述或附图所示出的部件的构造和布置的细节。本发明可具有其它实施例，或能够以多种方式实践或实施。另外，应理解，本文中所采用的用语和术语目的在于说明，并且不应视为限制性的。类似附图标记用于指示类似部件。

具体实施方式

尽管本公开将参考具有用于特定焊接过程的特定功率电路和控制方案的特定焊接型系统进行说明，但是首先应当理解，本发明还能够以其它焊接型系统、其它功率电路和其它控制方案来实施并且用于其它焊接过程。

一般来讲，公开了一种提供减小送丝速度以避免过量输入电流(和以避免断路器跳闸)的焊接型系统。当所感测平均电流超出阈值时，控制器减小送丝速度(低于用户设定值)。减小的量值优选地与平均值超出阈值的量成比例。平均值用于过滤所感测电流的瞬时变化。所感测的电流可为输入电流、输出电流或中间电流。优选地，所感测电流指示输入电流，并且阈值被选择成表示不致使典型断路器跳闸的输入电流。当送丝速度减小时，系统消耗较少输入电流，因此使得其不太可能使断路器跳闸。对所感测电流进行连续监测，并且当其低于阈值时，送丝速度返回至设定值。

如本文所用，焊接型系统包括能够供应焊接型功率的任何装置，包括辅助装置，诸如送丝机、机器人等。如本文所用，焊接型功率是指焊接功率、等离子体功率、感应加热功率，或热丝焊接/预加热(包括激光焊接)功率。如本文所用，控制器包括用于控制装置(诸如功率供应器或电源)的数字和模拟电路、离散或集成电路、微处理器、DSP等，以及位于一个或多个板上的软件、硬件和固件。

另外，如果所感测平均电流超出第二阈值，那么输出电压减小。优选地，第二阈值大于第一阈值。当焊接型系统与电阻负载一起使用时，诸如当焊接型系统工作或在实验室测试时，这方面为特别有用的。在此类情况下，送丝速度的减小不减小电流消耗，但电压的减小将减小电流消耗。当焊接正执行时，电压的减小还将充当送丝速度的减小的担保。

替代实施例提供了利用相同电流传感器以用于减小速度和减小电压两者，或利用不同传感器。不同传感器可在相同或不同位置感测电流。在其它替代实施例中，该两个阈值是相同的，并且时间延迟可用于防止电压减小。当送丝速度减小时，该延迟可开始。如果电流在时间延迟截止之前降低，那么电压不减小。如果电流在时间延迟期间停留于阈值之上，那么电压减小。另外，时间延迟可用于触发送丝速度的减小，而非求平均(如果电流保持高于阈值大于该延迟期间，那么送丝速度减小)。其它替代实施例提供了其它速度的减小。可使用PID的减小，而非成比例的减小。可使用一系列的步骤的减小(初始地减小送丝速度，然后如果所感测电流保持高于阈值，那么增大该减小，等等)。减小可基于所感测平均值和阈值之间的差值的其它函数。

阈值优选地基于典型断路器的经验数据而设定。另外，当不对初级电路感测电流时，经验数据可用于使所感测电流与初级电流关联，或其可利用系统效率、变压器匝数等进行计算。优选地，速度减小的量值取决于焊丝尺寸(因为其影响电流消耗)，并且用户输入焊丝直径。

现转向图1，焊接型系统10为GMAW系统，并且特别地为MIG焊接系统。其它实施例提供了系统10，该系统10为焊芯或其它送丝过程。在该示例性系统中，功率供应器12接收并转换施加至送丝机14的功率。送丝机将功率递送至焊炬16以用于完成焊接操作。尽管本公开将该GMAW功率供应器用作示例以展示新电路和控制技术，但是应当理解，相同教导内容可适用于其它焊接过程以及其它金属加工过程(诸如等离子体切割)所用的功率供应器。不同于用于送丝速度减小和输出电压减小的控制，焊接型系统10如专利申请2014-0376268所述进行操作。

功率供应器12从任何合适源(诸如电网、引擎发电机组、混合电源、燃料电池、蓄电池，或这些的组合)接收输入功率18。功率转换电路20将功率转换成适于焊接(或其它金属加工)过程的形式。功率供应器可设计成执行可由操作员选择的多种不同焊接过程，并且功率转换电路包括部件，诸如根据期望过程允许功率转换的固态开关。功率供应器12优选地为受控电压功率供应器。如本文所用，受控电压功率供应器(也称为CV功率供应器)为其中输出电压被监测并且该输出被调整以提供期望电压的功率供应器。电压在焊接过程期间可为恒定的，或可具有变化电压的期望波形。其它实施例提供了受控电流功率供应器的使用。

控制和处理电路22联接至功率转换电路20并且在所选过程期间控制功率转换电路的操作。例如，控制和处理电路22可提供信号，该信号调控功率转换电路内的固态开关的导电状态以产生期望输出功率，还如下文所讨论。在许多应用中，控制和处理电路将包括具有相关存储器的一个或多个数字处理器或微处理器以存储和执行可用于功率供应器上的过程。此类过程可包括恒定电压(CV)过程、恒定电流(CC)过程、脉冲过程、切割过程，等等。这些过程和其它焊接参数可经由操作员界面24来选择，该操作员界面24联接至控制和处理电路22。功率供应器还可包括允许与远程或联网部件和系统通信的电路，在图1示出为数据/网络接口26。此类电路可允许监测焊接操作、记录焊接数据、下载或配置新过程和更新这些过程，等等。最后，功率供应器有时将包括可移除存储器28，可移除存储器28可用于存储过程、过程参数、系统更新和任何合适数据。

功率和数据可经由一个或多个线缆或线缆束30从功率供应器12传输至送丝机14。送丝机自身包括驱动控制电路32，该驱动控制电路32调控驱动组件34的操作。驱动控制电路32连同控制和处理电路22一起为系统10的控制器。控制器还可包括其它控制模块。驱动组件34接触丝状电极36并将丝状电极36进给至焊接操作。丝状电极通常存储于送丝机内的卷轴38上。送丝机还可包括一个或多个气体阀以用于向焊接操作提供保护气体。最后，操作员界面42可允许选择送丝机的某些参数，诸如送丝速度。功率供应器和送丝机可协同地操作，使得当功率提供用于在焊接操作员发起的焊接时(例如，经由焊炬上的控制件)，焊丝和气体源进给至焊接操作。在一些实施例中，功率供应器和送丝机可整合入单个套件中。焊丝和气体源经由联接至焊炬的焊接线缆44提供。第二或工作线缆46通常以一些方式夹持或联接至工件48以用于完成电气电路。完整的电路在焊接操作期间由电弧(如以附图标记50所指示)完成。

功率转换电路20优选地包括输入整流器、功率因数校正升压电路，该输入整流器将AC功率转换为DC功率，该功率因数校正升压电路接收所整流的输入并且将升压总线提供至分离转换器，优选地自身包括输出整流器和输出感应器的双两开关管交叉正向转换器。送丝机14以由用户所设定的速率进给焊丝，并且控制和处理电路22致使功率转换电路20以送丝速度所需电流和期望电压提供输出。

控制和处理电路22包括输入限制模块200，由图2的流程图表示。优选地，输入限制模块200在软件中实施，但其可由硬件或其组合来实施。在优选实施例中，输入限制模块200驻留于控制和处理电路22的软件中，但可为驱动控制电路32的一部分，或位于任何位置。优选实施例提供了，输入限制模块200接收响应于反馈线路102上的系统输出电流的反馈(图1)。替代实施例包括接收响应于线104上的输入电流的反馈，或接收响应于系统10中的其他地方的电流的反馈，上述的反馈是在功率转换电路20内或从来自电极36。优选地，在获得电流反馈的任何位置，其可关联于系统输入电流。

输入限制模块200实施在步骤201处开始的方案。来自反馈线路102(或任何位置)的电流反馈信号在步骤202处被监测。一个实施例提供用于监测电流(20000次/秒)。如本文所用，通过控制功率电路，输入限制模块为用于将焊接型系统的输入限制为低于将以其它方式所消耗的输入的模块。如本文所用，模块包括协作以执行一个或多个任务的软件和/或硬件，并且能够包括数字命令、控制电路、功率电路、联网硬件等。

然后，通过比较器204所监测的电流与阈值进行比较。如本文所用，比较器为比较一个或多个值的软件和/或硬件，并且提供响应于比较结果的输出。对比较器204的输入为电流反馈和阈值。在优选实施例中，阈值为关联于27A输入电流(即，当系统10正消耗27安输入电流时，来自202的反馈信号的幅值)的值。优选的实施例将反馈线路102上130A的所感测电流用于关联于初级电路(输入)上的27A。典型的20A断路器将不跳闸，除非电流在短时间内超过27A。根据所感测电流和输入电流之间的关联性、断路器特性和系统响应时间，可选择不同阈值。如果所感测电流小于阈值，那么系统在步骤202处持续监测该电流。

如果反馈电流大于(或等于)阈值，那么过量电流(高于阈值的量)累积或由求平均模块205进行平均。如本文所用，求平均模块包括接收输入并提供响应于输入随时间的平均值的输出的模块。在优选实施例中，求平均模块205为IIR(无限脉冲响应滤波器)，其中转角频率为0.4Hz。

送丝速度命令基于平均过量电流而减少。发明人已经实证确定，当使用0.035直径焊丝时，1.5IPM(英寸/分钟)/过量安培的减小有助于减少断路器跳闸而不伤及焊接或电弧。因此，对于所感测电流平均值大于130A(其关联于27A输入)的每一安培，送丝速度减小了1.5IPM。

例如，如果反馈线路102上的所感测电流平均为135A，那么输入限制模块200将送丝速度命令减小了5*1.5＝7.5IPM。送丝速度由用户(或程序)设定，并且命令经由驱动控制电路32由控制器提供。如果用户设定命令在上述实例中为100IPM，那么输入限制模块200将送丝速度减小至92.5IPM。在一个实施例中，当电流降低低于阈值时，输入限制模块200致使送丝速度返回用户设定值。在优选实施例中，焊丝速度命令更新1000次/秒。

如上文所描述，减小送丝速度命令致使输入电流减小，从而使得断路器跳闸的可能性是低的。另外，减小送丝速度不导致电弧阻滞。

在一个实施例中，提供了安全或后备电压控制环路，其对于电阻负载而言工作特别良好。图3示出了输出电压限制模块300，该输出电压限制模块300以类似于输入限制模块200的方式操作，不同的是所减小参数为输出电压。如本文所用，通过控制功率电路，输出电压限制模块为用于将焊接型系统的输出电压限制为低于将以其它方式所命令的电压的模块。

输出限制模块300实施在步骤301处开始的方案。来自反馈线路102(或任何位置)的电流反馈信号在步骤302处被监测。一个实施例提供用于监测电流(20000次/秒)。然后，通过比较器304所监测的电流与第二阈值进行比较。第二阈值优选地关联于大于比较器204的阈值的10％，但该第二阈值可为其它值。优选实施例利用反馈线路102上所感测的143A的阈值，该阈值关联于29.7A的输入消耗。如果反馈电流大于(或等于)第二阈值，那么过量电流(高于第二阈值的量)累积或由求平均模块305进行平均。在优选实施例中，求平均模块305为转角频率为0.1Hz的IIR滤波器。输出电压命令基于平均过量电流而减小。发明人已经实证确定，对于所有焊丝直径而言，0.17V/A的增益有助于减少断路器跳闸而不伤及焊缝或电弧。因此，所感测电流平均值大于143A(其关联于29.7A输入)的每一安培，输出电压减小了0.17V。

减小输出电压有助于进一步减小断路器跳闸的可能性，特别地当系统在电阻负载上进行测试或工作时。

上述实例给定用于120V输入线上的0.035焊丝。其它值用于其它输入，或返送电路在其它输入下可忽略，在所述其它输入处断路器跳闸不是问题。取样速率和转角频率保持相同。替代实施例提供了其它阈值、其它类型的滤波器(FIR，例如，具有设定数量的样品)、不同取向速率，和利用代替求平均的延迟或其它函数。

另外，当使用不同焊丝尺寸时，在步骤206对输入限制模块200使用不同增益。对于0.024"的焊丝尺寸，使用5.1IPM/A的增益(换句话讲，送丝速度对于平均值超过阈值的每安培而言减小了5.1IPM)，对于0.030"焊丝，使用2.8IPM/A的增益，并且如上文所描述，对于0.035"焊丝，使用1.5IPM/A的增益。这些增益已经实证确定，但可使用其它增益。

替代实施例包括使用代码、软件或两者来实施这些模块。一替代实施例包括具有输入限制模块200，该输入限制模块200包括模块300的功能。例如，比较器304可在比较器204或步骤206之后(或任何位置)，其中采取响应于比较的适当动作。另一替代实施例提供了仅使用模块200，或仅使用模块300。后者特别地适合于非送丝过程。另一替代实施例提供在求平均之后进行比较。

可对本公开做出多种修改，这些修改仍落入本公开的预期范围内。因此，应显而易见的是，已提供了一种方法和设备，该方法和设备用于向焊接功率提供有限的输入电流，该输入电流完全满足上文所解释的目标和优点。尽管本公开已描述其具体实施例，但是明显的是，许多替代、修改和变型对本领域的技术人员而言将为显而易见的。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求书的精神和广泛范围内的所有此类替代形式、修改和变型。

Claims (22)

1.一种焊接型系统，包括：

功率供应器，所述功率供应器接收输入电流并且具有功率供应器控制输入，并且还具有焊接型功率输出以用于向电弧提供焊接型功率；

送丝机，所述送丝机被设置为向所述电弧提供焊丝，并且所述送丝机具有送丝速度控制输入；和

控制器，所述控制器包括连接至所述送丝速度控制输入的送丝速度控制输出，并且还具有连接至所述功率供应器控制输入的功率命令输出，并且还包括输入限制模块，所述输入限制模块具有指示所述输入电流的反馈输入和至少基于所述反馈输入而确定的限制输出，并且其中所述送丝速度控制输出响应于所述限制输出，并且从而所述输入电流响应于所述输入限制模块。

2.根据权利要求1所述的焊接型系统，其中所述功率供应器为受控电流功率供应器和受控电压功率供应器中的至少一者。

3.根据权利要求2所述的焊接型系统，还包括反馈电路，所述反馈电路具有响应于所述焊接型系统的所述输入电流和输出电流中的至少一者的信号，并且所述反馈电路连接至所述反馈输入。

4.根据权利要求2所述的焊接型系统，其中所述输入限制模块包括比较器，所述比较器具有作为输入的阈值和所述反馈输入，并且其中所述限制输出响应于所述比较器的输出。

5.根据权利要求4所述的焊接型系统，其中所述输入限制模块包括求平均模块，所述求平均模块具有作为输入的所述阈值和所述反馈输入之间的差值，并且其中所述限制输出响应于所述求平均模块的输出。

6.根据权利要求4所述的焊接型系统，其中所述控制器包括连接至所述功率供应器的电压命令输出，并且进一步地，其中所述控制器包括输出电压限制模块，所述输出电压限制模块具有响应于第二阈值和所述反馈输入的比较的电压限制输出，并且其中所述电压命令输出响应于所述电压限制输出。

7.根据权利要求4所述的焊接型系统，其中所述限制输出响应于指示焊丝尺寸的用户输入。

8.根据权利要求1所述的焊接型系统，其中所述输入限制模块为用于将所述焊接型系统的所述输入电流限制为低于阈值的模块，所述阈值表示不致使断路器跳闸的输入电流。

9.一种提供焊接型功率的方法，所述方法包括：

将输入电流接收在功率电路；

向电弧提供焊接型功率输出；

将焊丝进给至所述电弧；

控制焊丝进给的速度，包括以设定值进给，以及包括响应于所述输入电流和输出电流中的至少一者的函数超出期望阈值而将所述速度减小为低于所述设定值。

10.根据权利要求9所述的方法，其中提供焊接型功率输出包括提供受控电压输出和受控电流输出中的至少一者。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括提供响应于所述输入电流和输出电流中的至少一者的信号，并且其中减小所述速度是响应于提供信号。

12.根据权利要求11所述的方法，其中减小所述速度响应于所述输出电流和所述输入电流中的至少一者的平均值超出期望阈值而执行。

13.根据权利要求10所述的方法，还包括将所述电压输出控制为电压设定值，并且响应于所述输出电流和所述输入电流中的至少一者的平均值超出第二阈值而将输出电压控制为小于所述电压设定值。

14.根据权利要求10所述的方法，其中减小的量值响应于指示焊丝尺寸的用户输入。

15.根据权利要求10所述的方法，其中所述期望阈值基于所述输入电流和断路器特性而确定。

16.一种用于提供焊接型功率的系统，所述系统包括：

用于将输入电流接收在功率电路中的装置；

用于响应于用于接收的装置向电弧提供焊接型功率输出的装置；

用于将焊丝进给至所述电弧的装置，其中所述焊丝接收所述焊接型功率输出；

用于将用于进给焊丝的装置的速度控制为设定速度并且用于响应于所述输入电流和输出电流中的至少一者的函数超出期望阈值而将所述速度减小为低于所述设定速度的装置。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述焊接型功率输出为受控电压输出和受控电流输出中的至少一者。

18.根据权利要求17所述的系统，其中用于减小的装置包括用于对超出期望阈值的所述输入电流求平均的装置。

19.根据权利要求18所述的系统，其中用于控制的装置接收电压设定值，并且包括用于当平均值超出第二阈值时将输出电压控制为小于所述电压设定值的装置。

20.根据权利要求19所述的系统，其中用于减小所述速度的装置响应于指示焊丝尺寸的用户输入。

21.根据权利要求20所述的系统，还包括用于提供反馈的装置，用于提供反馈的装置响应于所述系统的所述输入电流和输出电流中的至少一者，并且其中用于减小的装置响应于用于提供反馈的装置。

22.一种在如权利要求1至8中任一项所定义的系统中提供焊接型功率的方法，其中所述方法包括以下步骤：

将输入电流接收在功率电路中；

向电弧提供焊接型功率输出；

将焊丝进给至所述电弧；

控制焊丝进给的速度，包括以设定值进给，以及包括响应于所述输入电流和输出电流中的至少一者的函数超出期望阈值而将所述速度减小为低于所述设定值。

Images