CN111112796A - 基于时间的短路响应 - Google Patents

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Abstract

当在焊接工艺期间发生短路事件时采用基于时间的短路响应。当短路发生时，确定直到所述焊接工艺中的预定事件的时间。基于在所述预定事件前的剩余时间，执行特定短路响应。

Description

基于时间的短路响应
相关申请的交叉引用
本申请是于2018年10月30日提交的美国临时专利申请序列号62/752,423的非临时专利申请，并要求其优先权。上述申请的全部内容通过援引并入本文。
技术领域
总体上，本发明涉及使用气体保护金属电弧焊(GMAW)工艺的电弧焊接，并且具体地涉及用于清除短路事件的技术。
背景技术
在电弧焊接中，流行的工艺是脉冲焊接。例如，气体保护金属电弧焊(如金属惰性气体(MIG)焊接)利用间隔的脉冲来首先熔化推进的焊丝电极的端部，然后通过电弧将熔融金属从焊丝的端部推到工件上。在理想的条件下，在脉冲焊接工艺的每个脉冲期间转移液滴(例如熔融金属的小滴)。传统地，脉冲焊接工艺利用相对高的电压，并且因此，电极的端部与工件之间的间隙可能相对大。虽然这限制了短路的发生率和由此引起的飞溅或电弧不稳定性，但是这也限制了行进速度。
以短电弧长度操作焊接工艺(例如脉冲焊接)是有益的。例如，较短的电弧长度促进较低的热量输入以及较高的行进速度。当然，较短的电弧长度增大了部分地转移的熔滴可能桥接电极与工件之间的间隙而引起短路的可能性，从而导致增大的飞溅和/或电弧不稳定性。为了减小飞溅、不稳定性、和/或较差焊接质量，采用了短路清除响应。
发明内容
下面的概述呈现了简化的概述，以提供对本文所讨论的装置、系统和/或方法的一些方面的基本理解。本概述不是对本文所讨论的装置、系统和/或方法的广泛综述。并不旨在指出关键的元件或划定这类装置、系统和/或方法的范围。唯一的目的是以简化的形式呈现一些概念，作为稍后呈现的更详细说明的序言。
在不同实施例中，当在焊接工艺期间发生短路事件时采用基于时间的短路响应。当短路发生时，确定直到所述焊接工艺中的预定事件的时间。基于在所述预定事件前的剩余时间，执行特定短路响应。
根据一个方面，提供一种系统，所述系统包括焊接电源，所述焊接电源向推进的焊丝电极提供焊接输出，以在电极与工件之间产生电弧。所述系统进一步包括波形发生器，所述波形发生器被配置用于向所述焊接电源提供焊接波形，所述焊接电源根据所述焊接波形来调制所述焊接输出。此外，所述系统包括控制器。所述控制器被配置用于：检测所述电极与所述工件之间的短路状况；确定所述焊接波形的目标事件前的剩余时间量；并且向所述波形发生器发信号，以基于所述剩余时间量来修改所述焊接波形，从而执行短路响应。
根据另一个方面，提供了一种方法，所述方法包括在根据焊接波形执行焊接工艺期间，检测电极与工件之间的短路状况。所述方法还包括确定在检测到所述短路状况与所述焊接波形的参考事件之间的时间。进一步，所述方法包括基于所确定的时间选择短路响应；并且执行所选择的短路响应。
根据又一个方面，提供了一种焊接装置。所述焊接装置包括：波形发生器，所述波形发生器被配置成输出用于焊接工艺的焊接波形；以及电源，所述电源被配置用于向电极提供焊接功率输出。所述电源基于来自所述波形发生器的焊接波形来调制所述焊接功率输出。所述焊接装置还包括短路响应电路，所述短路响应电路被配置用于输出短接响应，所述短接响应用于清除所述电极与工件之间的短路；以及至少一个反馈电路，所述至少一个反馈电路被配置用于测量所述焊接功率输出的至少一个特征并且产生对应的反馈信号。所述焊接装置包括控制器，所述控制器被配置用于至少部分地基于来自所述至少一个反馈电路的所述反馈信号来检测短路状况；确定在所述焊接波形的目标事件前的剩余时间；基于所述剩余时间选择短路响应；并且向所述短路响应电路发信号，以超过所选择的短路响应。
当根据附图、具体实施方式和所附权利要求书来进行查看时，本发明的这些方面和其他方面将是显而易见的。
附图说明
本发明可以在某些零件和零件安排方面采取实体形式，其优选实施例将在说明书中进行详细描述并且在形成本说明书的一部分的附图中进行展示，并且在附图中：
图1是根据一个或多个方面、实施基于时间的短路响应的焊接系统的示例性非限制性实施例的示意性框图；
图2是根据一个或多个方面的示例性非限制性焊接波形的曲线图；
图3是根据一个或多个方面的示例性非限制性焊接波形的曲线图；
图4是根据一个或多个方面、描绘了基于时间的短路响应的示例性非限制性焊接波形的曲线图；
图5是根据一个或多个方面、在焊接工艺期间基于时间的短路响应的示例性非限制性实施例的流程图；并且
图6是根据一个或多个方面、在焊接工艺期间基于时间的短路响应的示例性非限制性实施例的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及用于在焊接工艺期间提供基于时间的短路响应的系统和方法。特别地，当检测到短路时，确定在焊接工艺的目标事件(例如，参考事件或参考点)前的剩余时间量。基于剩余时间，执行特定的短路响应。例如，选择短路响应以确保在焊接工艺的目标事件前清除短路。更一般地，每个短路响应与清除短路所需要的相应期望的时间周期相关联。如果给定短路响应的所期望的时间周期超过在目标事件前的剩余时间，则不执行短路响应。
在一个实例中，焊接工艺可以是在峰值脉冲之间具有固定频率的脉冲焊接。在具有可变频率的脉冲焊接工艺中，峰值电流脉冲之后的短路事件可能使随后的峰值电流脉冲的发生延迟。在固定频率的情况下，延迟不会发生。应当在峰值电流脉冲之前、并且不在脉冲期间清除短路，以便避免爆炸式飞溅、较差焊接质量、和/或其他不稳定性以及危害。在固定频率脉冲焊接的情况下，已知或容易地确定直到发生下一峰值电流脉冲的时间。因此，当短路发生时，基于直到下一峰值电流脉冲的时间选择短路响应。如果可以获得充足的时间，则可以执行提供最小飞溅的响应。如果没有足够的用于理想响应的时间，可以执行更激进的短路响应，使得在脉冲前清除短接。
现在将参照附图描述多个不同的实施例，其中相似的附图标记贯穿全文用来指代相似的元件。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，可能明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本文所描述的特征。此外，其他实施例是可能的，并且本文描述的特征能够以除如所描述的方式之外的方式来实践和实施。本文所使用的术语和短语是出于促进对本发明的理解的目的使用的，并且不应该被认为是限制性的。
首先转到图1，展示的是示例性非限制性焊接系统100的示意性框图，所述焊接系统被配置用于在焊接工艺期间执行基于时间的短路响应。焊接系统100操作性地联接至可消耗焊接电极E和工件W，以执行焊接工艺。焊接系统100包括能够将输入功率112(所述输入功率可以是三相输入)转换成焊接输出功率的电源110。例如，电源110可以是逆变器型功率转换器或斩波器型功率转换器。焊接系统100进一步包括焊丝给送器160，所述焊丝给送器能够将焊丝例如给送穿过焊枪(未示出)，所述焊枪将焊丝(例如，电极E)连接至焊接输出功率。
系统100还可以包括分流器152(或相似装置)，所述分流器操作性地连接在电源110与电极E之间。分流器152为电流反馈电路150提供焊接输出电流，以测量由电源110产生的焊接输出电流。系统100进一步包括电压反馈电路140，所述电压反馈电路用于感测电源110所输出的焊接电压。
焊接系统100包括控制器130，所述控制器操作性地连接至电压反馈电路140和电流反馈电路150。控制器130可以接收表示焊接输出的信号形式的感测电流和感测电压。如图1所示，系统100还可以包括联接至控制器130的波形发生器120。波形发生器120向电源110输出焊接波形信号。电源110通过将输入功率112基于来自波形发生器120的焊接波形信号转换成焊接输出功率来产生调制焊接输出(例如电压和电流)。波形发生器120接收来自控制器130的命令信号并且基于命令信号实时适配焊接波形信号。根据实施例，控制器可以包括逻辑电路系统、可编程微处理器、以及计算机存储器。
根据一个方面，控制器130可以使用来自电压反馈电路140的电压信号、来自电流反馈电路150的电流信号、或两个信号的组合来确定在焊接工艺期间电极E与工件W之间何时发生短路、何时将要清除短接、并且短接何时实际上清除。在美国专利号7,304,269中描述了短接何时发生以及短接何时清除的示例性技术，所述专利通过引用以其全文结合在此。控制器可以命令短接响应电路170响应于检测短路来修改来自波形发生器120的焊接波形信号。根据一个方面，短接响应电路170可以输出局部波形信号，所述局部波形信号在焊接波形信号输入到电源110之前添加至所述焊接波形信号或与其组合。因此，电源110根据来自短接响应电路170的输出和焊接波形信号来调制焊接输出。
应当理解的是，短接响应电路170可以结合到波形发生器120中。例如，控制器130可以简单地命令波形发生器120在短路发生时和/或当短路清除时修改焊接波形信号。
应当理解的是，焊接系统100可以利用所测量的焊接工艺的参数来调节由波形发生器120发生的焊接波形的一部分。例如，所测量的参数可以是在焊接工艺期间焊接参数随时间的导数，例如但不限于：电流读数的导数、电压读数的导数、电阻读数的导数、功率的导数等。此外，可以实时检测焊接参数的导数。焊接参数的导数可以是针对焊接工艺、波形、波形的一部分、其组合等的改变的触发器。
根据一个方面，当控制器130检测到短路发生时，控制器130可以基于直到计划发生焊接工艺的目标事件或参考点的时间来确定特定短路响应。短路响应可以是来自短接响应电路170或波形发生器130的输出。目标事件可以与焊接波形的一部分相对应。例如，目标事件可以是峰值电流脉冲。控制器130所选择的短路响应被选择成确保短接在目标事件之前清除。例如，短路响应可以包括焊接输出电流的相对增大或减小。
控制器130可以命令波形发生器120或短接响应电路170修改波形信号，以实行焊接波形电流的增大和/或减小。替代性地，控制器130可以更直接地引起电流减小。例如，切换模块可以操作性地连接在电源110与工件W或电极E之间。切换模块可以包括与电阻路径并联的电气开关(例如，功率晶体管电路)。当不存在短路时，开关可以由来自控制器130的信号闭合。当闭合时，切换模块提供低电阻路径。当短接发生时，开关可以由控制器130断开。当断开时，电流被迫使流经电阻路径，这引起电流水平根据电阻路径的电阻而减小。因此，控制器130通过命令这种切换模块可以响应于短路来驱动电流输出降至较低水平，以便允许短接清除。
控制器130可以基于时间特性选择不同响应。例如，如果控制器130确定在目标事件之前剩余的时间不足，使得不能以低电流水平(例如，基值电流或更低的电流)清除短接，则控制器130可以命令短接响应电路170或波形发生器120调升电源110的电流输出，从而更激进地清除短接。例如，调升可以大于基值电流水平但是小于峰值电流。
转到图2至图4，将参考所展示的曲线图描述基于时间的短路响应。图2至图4的曲线图描绘了根据多个不同的方面的示例性非限制性焊接波形。在图2中，展示了用于脉冲焊接工艺的理想焊接波形200。如所示出的，波形包括由基值电流部分204分隔开的间隔峰值电流脉冲202。对于固定频率焊接工艺，脉冲之间的时间周期206可以是恒定的。在图3中，焊接波形300展示了类似于图2的波形，使得峰值电流脉冲302由基值电流部分304分隔开。波形300也可以是固定频率波形，使得脉冲302根据恒定时间周期306发生。波形300包括短路响应，所述短路响应展示为减小的电流部分308。根据图3所示的响应，在预定时间量中保持低电流，以使得能够清除短接。
对于固定的时间周期306，短接可能在峰值电流脉冲302附近发生，使得在脉冲302前不能清除短接。这可能导致显著飞溅以及其他焊接质量问题。因此，如图4所示的，可以执行替代性的短路响应。图4展示了具有由基值电流部分404分隔开的峰值电流脉冲402的波形400。针对焊接工艺预先确定阈值时间量406。如果短接发生在阈值之前，则执行第一响应408。如果短接发生在阈值之后，则执行第二响应410。例如，第二响应410可以是更激进的响应，所述第二响应试图比第一响应408更快地清除短接。
现在转到图5和图6，结合所展示的流程图描述的方法涉及基于时间的短路响应。所描述的方法可以由控制器、微处理器、FPGA、或逻辑电路(例如控制器130)执行，以在焊接工艺期间由焊接系统(例如，系统100)对短路执行基于时间的响应。
图5展示了用于基于时间考虑清除短路的方法500的流程图。在502处，在焊接工艺期间检测到短路事件。例如，短路可能通过焊接输出电压的下降来检测。在504处，确定直到焊接工艺的目标事件(例如，焊接波形的目标部分)的时间。在一个方面，目标事件通常表示在此之前应当清除短路的点。在506处，根据在504处所确定的时间来执行短路响应，以确保在目标事件之前清除短路。
转到图6，展示了方法600。方法600可以在602处开始，此处检测到短路。在604处，确定直到目标事件、例如直到下一峰值电流脉冲的时间。在606处，确定直到目标事件的时间是否大于预定阈值。如果剩余时间较大，则在608处对短路执行第一响应。例如，第一响应可以包括使电流减小至较低水平，以允许使得短路消失在背景中。如果剩余时间小于阈值，则在610处对短路执行第二响应。第二响应可以是电流调升，所述电流调升更激进地清除短路。
上述实例详述了具有两种响应的实施例。应当理解的是，额外的响应可以可供焊接系统选择。这些额外的响应可以分别与确定它们的选择的时间条件相关联。例如，可以建立多个时间阈值以将给定波形进行分区。可以根据短路状况所发生的分区来采用不同的短接响应。在另一个实例中，焊接工艺可以具有特定电流和/或电压设定，这些特定电流和/或电压设定还可以在选择响应时加以考虑。因此，除时间条件之外可以基于参数条件进行响应选择。
根据一个实施例，提供了一种系统，所述系统包括焊接电源，所述焊接电源向推进的焊丝电极提供焊接输出，以在所述电极与工件之间产生电弧。所述系统还包括波形发生器，所述波形发生器被配置用于向所述焊接电源提供焊接波形，所述焊接电源根据所述焊接波形来调制所述焊接输出。此外，所述系统包括控制器。所述控制器被配置用于：检测所述电极与所述工件之间的短路状况；确定所述焊接波形的目标事件前的剩余时间量；并且向所述波形发生器发信号，以基于所述剩余时间量来修改所述焊接波形，从而执行短路响应。
根据此实施例的不同实例，所述目标事件是峰值电流脉冲。所述控制器进一步被配置用于将所述剩余时间量与预定阈值进行比较。所述控制器进一步被配置用于向所述波形发生器发信号，以在所述剩余时间量超过所述预定阈值时执行第一短路响应。所述第一短路响应使焊接输出电流保持在所述焊接波形的基值电流的水平或其之下的水平。所述控制器进一步被配置用于向所述波形发生器发信号，以在所述剩余时间量小于所述预定阈值时执行第二短路响应。所述第二短路响应增大焊接输出电流来清除所述短路状况。
根据另一个实施例，提供了一种方法。所述方法包括在根据焊接波形执行焊接工艺期间，检测电极与工件之间的短路状况。所述方法还包括确定在检测到所述短路状况与所述焊接波形的参考事件之间的时间。所述方法进一步包括基于所确定的时间选择短路响应；并且执行所选择的短路响应。
根据多个不同实例，所述焊接波形是用于固定频率脉冲焊接工艺的波形。所述参考事件是所述焊接波形的继检测到所述短路状况之后的下一峰值电流脉冲。进一步，所述方法可以包括：选择所述短路响应包括基于所确定的时间选择第一短路响应或第二短路响应中的一者。所述方法还包括：将所述第一短路响应执行为将焊接输出电流减小至小于或等于基值水平直到所述短路状况清除。替代性地，所述方法可以包括：将所述第二短路响应执行为将焊接输出电流增大到基值水平之上直到所述短路状况清除。在此实例中，增大所述焊接输出电流包括将所述电流调升在所述焊接波形的峰值电流水平之下的水平。仍进一步地，所述方法可以包括：将所确定的时间与阈值进行比较。因此，所述方法可以包括：当所确定的时间超过所述阈值时执行第一短路响应；或者当所确定的时间小于所述阈值时执行第二短路响应。
在又一个实施例中，提供了一种焊接装置。所述焊接装置包括：波形发生器，所述波形发生器被配置成输出用于焊接工艺的焊接波形。所述焊接装置还包括电源，所述电源被配置用于向电极提供焊接功率输出。所述电源基于来自所述波形发生器的焊接波形来调制所述焊接功率输出。所述焊接装置还包括：短路响应电路，所述短路响应电路被配置用于输出短接响应，所述短接响应用于清除所述电极与工件之间的短路。此外，所述焊接装置包括：至少一个反馈电路，所述至少一个反馈电路被配置用于测量所述焊接功率输出的至少一个特征并且产生对应的反馈信号。进一步，所述焊接装置包括控制器，所述控制器被配置用于至少部分地基于来自所述至少一个反馈电路的所述反馈信号来检测短路状况；确定在所述焊接波形的目标事件前的剩余时间；基于所述剩余时间选择短路响应；并且向所述短路响应电路发信号，以超过所选择的短路响应。
在实例中，所述控制器被配置用于当所述剩余时间等于或超过阈值时选择第一短路响应、并且当所述剩余时间小于所述阈值时选择第二短路响应。所述第一短路响应操作为将所述焊接功率输出减小至小于或等于基值水平直到所述短路状况清除。所述第二短路响应操作为将所述焊接功率输出增大到所述基值水平以上的水平直到所述短路状况清除。在另一个实例中，所述短路响应电路被配置成输出与从所述波形发生器所输出的焊接波形相组合的信号。
以上实例仅仅是说明本发明的各个方面的若干个可能的实施例，其中，本领域技术人员在阅读并理解本说明书和附图时将想到等效的变更和/或修改。特别地，关于由以上描述的部件(组件、装置、系统、电路等)执行的各种功能，除非以其他方式指出，用来描述这样的部件的术语(包括引用“器件(means)”)旨在与执行被描述部件(例如，功能上是等效的部件)的具体功能的任何部件(如硬件、软件或其组合)相对应，即使结构上不等效于执行本发明所展示的实现方式中的功能的披露结构也是如此。此外，尽管可能已经根据若干实施方式中的仅一个实施方式披露了本发明的某个特定特征，但此类特征可以如所希望地和针对任何给定的或特定应用而言有利地与其他实施方式的一个或多个其他特征相组合。另外，就详细描述和/或权利要求使用术语“包含(including)”、“包含(includes)”、“具有(having)”、“具有(has)”、“带有(with)”或其变体而言，此类术语以类似于术语“包括(comprising)”的方式旨在是包容性的。
本书面说明使用了实例来披露本发明，包括最佳模式，并且也使本领域普通技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明的可取得专利权的范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其他实例。如果这种其他示例具有与权利要求中的字面语言没有不同的结构元件，或者如果包括与权利要求中的字面语言无实质不同的等效结构元件，则它们预期在权利要求的范围内。
当时出于展示申请人已知的最佳模式的目的已经描述了实施本发明的最佳模式。如通过权利要求的范围和价值精神所衡量的，实例仅仅是说明性的而不意味着要限制本发明。已经参照优选和替代的实施例描述了本发明。显然，基于对本说明书的阅读和理解，其他人将想到多个修改和变更。旨在包括落在所附权利要求或其等效物范围内的所有此类修改和变更。

Claims (20)

1.一种系统，所述系统包括：
焊接电源，所述焊接电源向推进的焊丝电极提供焊接输出，以在所述电极与工件之间产生电弧；
波形发生器，所述波形发生器被配置用于向所述焊接电源提供焊接波形，所述焊接电源根据所述焊接波形来调制所述焊接输出；以及
控制器，所述控制器被配置用于：
检测所述电极与所述工件之间的短路状况；
确定所述焊接波形的目标事件前的剩余时间量；并且
向所述波形发生器发信号，以基于所述剩余时间量来修改所述焊接波形，从而执行短路响应。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述目标事件是峰值电流脉冲。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述控制器进一步被配置用于将所述剩余时间量与预定阈值进行比较。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述控制器进一步被配置用于向所述波形发生器发信号，以在所述剩余时间量超过所述预定阈值时执行第一短路响应。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述第一短路响应使焊接输出电流保持在所述焊接波形的基值电流的水平或其之下的水平。
6.如权利要求3所述的系统，其中，所述控制器进一步被配置用于向所述波形发生器发信号，以在所述剩余时间量小于所述预定阈值时执行第二短路响应。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述第二短路响应增大焊接输出电流来清除所述短路状况。
8.一种用于焊接设备的方法，包括：
在根据焊接波形执行的焊接工艺期间，检测电极与工件之间的短路状况；
确定在检测到所述短路状况与所述焊接波形的参考事件之间的时间；
基于所确定的时间选择短路响应；并且
执行所选择的短路响应。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述焊接波形是用于固定频率脉冲焊接工艺的波形。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述参考事件是所述焊接波形的继检测到所述短路状况之后的下一峰值电流脉冲。
11.如权利要求8所述的方法，其中，选择所述短路响应包括基于所确定的时间选择第一短路响应或第二短路响应中的一者。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括将所述第一短路响应执行为将焊接输出电流减小至小于或等于基值水平直到所述短路状况清除。
13.如权利要求11所述的方法，进一步包括将所述第二短路响应执行为将焊接输出电流增大到基值水平之上直到所述短路状况清除。
14.如权利要求13所述的方法，其中，增大所述焊接输出电流包括将所述电流调升至所述焊接波形的峰值电流水平之下的水平。
15.如权利要求8所述的方法，进一步包括将所确定的时间与阈值进行比较。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括：
当所确定的时间超过所述阈值时执行第一短路响应；或者
当所确定的时间小于所述阈值时执行第二短路响应。
17.一种焊接装置，包括：
波形发生器，所述波形发生器被配置成输出用于焊接工艺的焊接波形；
电源，所述电源被配置用于向电极提供焊接功率输出，所述电源基于来自所述波形发生器的焊接波形来调制所述焊接功率输出；
短路响应电路，所述短路响应电路被配置用于输出短接响应，所述短接响应用于清除所述电极与工件之间的短路；
至少一个反馈电路，所述至少一个反馈电路被配置用于测量所述焊接功率输出的至少一个特征并且产生对应的反馈信号；以及
控制器，所述控制器被配置用于：
至少部分地基于来自所述至少一个反馈电路的所述反馈信号来检测短路状况；
确定在所述焊接波形的目标事件前的剩余时间；
基于所述剩余时间选择短路响应；并且
向所述短路响应电路发信号，以超过所选择的短路响应。
18.如权利要求17所述的焊接装置，其中，所述控制器被配置用于当所述剩余时间等于或超过阈值时选择第一短路响应、并且当所述剩余时间小于所述阈值时选择第二短路响应。
19.如权利要求18所述的焊接装置，其中，所述第一短路响应操作为将所述焊接功率输出减小至小于或等于基值水平直到所述短路状况清除，并且所述第二短路响应操作为将所述焊接功率输出增大到所述基值水平以上的水平直到所述短路状况清除。
20.如权利要求17所述的焊接装置，其中，所述短路响应电路被配置成输出与所述波形发生器所输出的焊接波形相组合的信号。
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