CN111745264B - 电弧焊接电路的实时电阻监测 - Google Patents

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Abstract

披露了一种焊接或增材制造供电装置，所述焊接或增材制造供电装置包括被配置成产生焊接波形的输出电路系统、用于测量由所述输出电路系统产生的焊接电流的电流传感器、用于测量所述焊接波形的输出电压的电压传感器、以及控制器，所述控制器被操作性地连接到所述输出电路系统以控制所述焊接波形、并且被操作性地连接到所述电流传感器和所述电压传感器以监测所述焊接电流和所述输出电压。焊接波形的一部分包括从第一水平至不同于所述第一水平的第二水平的受控电流变化。所述控制器被配置成根据所述输出电压和所述受控电流变化来确定电路电感、并且进一步基于所述电路电感来实时地确定可消耗电极的电阻变化。

Description

电弧焊接电路的实时电阻监测
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年3月29日提交的美国临时专利申请序列号62/826,323的优先权，所述临时专利申请的披露内容通过引用并入本文。
发明背景
技术领域
本发明涉及供电装置，所述供电装置用于产生在焊接过程或比如金属增材制造等焊接类过程中使用的电弧。
背景技术
焊接供电装置可以产生输出电流变化非常快的复杂焊接波形。此类复杂焊接波形典型地基于电压和/或电流反馈测量来进行控制。反馈测量可以通过焊接供电装置或者通过焊接焊丝给送器来进行，焊接焊丝给送器距正在焊接的工件近而距焊接供电装置远得多。从供电装置延伸的大长度的焊接线缆可能给焊接电路添加很大的电感并且因此添加很大的阻抗。当使用长的焊接线缆时，供电装置的性能可能受限，并且更难于进行准确的反馈测量。焊接供电装置可以通过延伸到工件的专用感测引线来进行远程反馈测量；然而此类感测引线增加了系统复杂性和成本，并且倾向于较脆弱并而容易损坏。因此，通常不期望使用感测引线。焊接焊丝给送器可以进行远程反馈测量；然而，测量数据随后必须快速地传达回到焊接供电装置以备使用。此类反馈传达需要额外的电路系统并且可能需要在供电装置与焊丝给送器之间进行额外的控制布线。可以通过焊接线缆进行反馈传达，但是趋向于沿着焊接线缆存在很大的噪声量，所述噪声必须被调节。期望甚至当焊接电路包括由线缆长度较长而引起的很大的电感量时焊接供电装置也能实时且准确地确定远在工件处发生的焊接状况，而无需使用专门感测引线或者来自焊接焊丝给送器的电压/电流反馈数据。
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。
根据本发明的一个方面，提供了一种焊接或增材制造供电装置。所述供电装置包括被配置成产生焊接波形的输出电路系统、用于测量由所述输出电路系统产生的焊接电流的电流传感器、用于测量所述焊接波形的输出电压的电压传感器、以及控制器，所述控制器被操作性地连接到所述输出电路系统以控制所述焊接波形、并且被操作性地连接到所述电流传感器和所述电压传感器以监测所述焊接电流和所述输出电压。焊接波形的一部分包括从第一水平至不同于所述第一水平的第二水平的受控电流变化。所述控制器被配置成根据所述输出电压和所述受控电流变化来确定电路电感、并且进一步基于所述电路电感来实时地确定可消耗电极的电阻变化。
根据本发明的另一个方面，提供了一种焊接或增材制造系统。所述系统包括可消耗电极、焊炬、焊丝给送器、以及供电装置，所述焊丝给送器使所述可消耗电极在沉积操作期间前进穿过所述焊炬，所述供电装置通过至少一条线缆被操作性地连接到所述焊丝给送器和所述焊炬。所述供电装置被配置成为所述焊炬提供一系列焊接波形以便在所述可消耗电极中产生焊接电流。所述一系列焊接波形的各个焊接波形的一部分包括从第一水平至不同于所述第一水平的第二水平的受控电流变化。所述供电装置被配置成基于在所述受控电流变化期间进行的电压测量和电流测量来确定电路电感。所述供电装置被进一步配置成基于所述电路电感来实时地确定所述可消耗电极的电阻变化。
根据本发明的另一个方面，提供了一种焊接或增材制造供电装置。所述供电装置包括被配置成产生焊接波形的输出电路系统、用于测量由所述输出电路系统产生的焊接电流的电流传感器、用于测量所述焊接波形的输出电压的电压传感器、以及控制器，所述控制器被操作性地连接到所述输出电路系统以控制所述焊接波形、并且被操作性地连接到所述电流传感器和所述电压传感器以监测所述焊接电流和所述输出电压。焊接波形的一部分包括从第一水平至不同于所述第一水平的第二水平的受控电流变化。所述控制器被配置成在沉积操作期间至少根据所述受控电流变化来实时地确定电路电感、并且进一步基于所述电路电感来实时地确定可消耗电极的电阻变化。
所述供电装置或控制器可以被配置成根据所述焊接电流和所述输出电压来实时地确定电路阻抗。所述受控电流变化可以发生在所述焊接波形的电流斜坡部分期间。所述供电装置或控制器可以被配置成基于所述可消耗电极的电阻变化来确定短路事件的清除。所述供电装置或控制器可以被配置成基于所述可消耗电极的电阻变化来确定电极伸出距离的变化。所述供电装置可以包括输出开关和与所述输出开关并联连接的电阻器，并且所述焊接波形可以包括最小电流部分、在所述可消耗电极与工件之间的短路事件期间的箍缩电流部分、等离子体升压脉冲部分、以及从所述等离子体升压脉冲部分到基值电流水平的收，并且所述供电装置/控制器可以被配置成基于所述可消耗电极的电阻变化将所述输出开关去激活以便实施所述焊接波形的最小电流部分。所述供电装置/控制器可以被配置成将所述可消耗电极的电阻变化与阈值进行比较、并且当所述可消耗电极的电阻变化达到或超过所述阈值时将所述输出开关去激活。所述供电装置/控制器可以被配置成将所述电路电感与阈值进行比较、并且基于所述电路电感与所述阈值的比较结果来控制所述输出开关的重新激活。在某些实施例中，所述焊接波形的箍缩电流部分可以包括恒定电流部分，所述供电装置/控制器根据所述恒定电流部分来确定电路基线电阻。所述供电装置/控制器可以被配置成基于所述电路电感或所述电路基线电阻来调节焊接波形参数。所述焊接波形参数可以是焊接电流斜变速率和/或平均焊接电压。
附图说明
在参考附图阅读以下描述后，本发明所涉及的领域的技术人员将明白本发明的上述和其他方面，在附图中：
图1是焊接系统的透视图；
图2是焊接系统的示意图；
图3是焊接系统的示意图；
图4是焊接电路的示意图；
图5展示了焊接电极和工件；
图6展示了焊接波形；
图7是焊接电路阻抗的图表；
图8是感抗的图表；
图9是补偿电阻的图表；
图10展示了焊接波形；
图11是流程图；并且
图12展示了示例性控制器。
具体实施方式
现在将参照附图来描述本发明的示例性实施例。所描述的示例性实施例旨在帮助理解本发明，而并不旨在以任何方式限制本发明的范围。贯穿全文，相同的附图标记表示相同的要素。
如本文所使用的，“至少一个”、“一个或多个”和“和/或”在操作中既是合取性又是析取性的开放式表达。例如，表述“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”、“A、B或C中的一个或多个”以及“A、B和/或C”中的每一个都是指单独A、单独B、单独C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、或A、B和C一起。给出两个或更多个替代性术语的任何析取性词语和/或短语，无论是在实施例、权利要求还是附图的描述中，都应理解为涵盖以下可能性：包括这些术语中的一者、这些术语中的任一者、或全部术语。例如，短语“A或B”应理解为包括以下可能性：“A”、或“B”、或“A和B”。
虽然本文中所描述的本发明的实施例是在GMAW类型的焊接的背景下讨论的，但本发明的其他实施例不受限于此。例如，实施例可以在SAW和FCAW类型的焊接操作以及其他类似类型的沉积操作中使用。进一步，本发明的实施例可以用于手动、半自动、以及机器人焊接操作。本发明的实施例还可以用于类似于焊接的金属沉积操作，比如增材制造、耐磨堆焊和镀覆。如本文所使用的，术语“焊接”将包含所有这些涉及材料沉积以连结或构建工件的技术。因此，为了效率起见，在下面对示例性实施例的描述中使用术语“焊接”，但其旨在包括所有这些材料沉积操作，无论是否将多个工件连结在一起。
图1展示了电弧焊接系统100的示例性实施例。系统100包括焊接供电装置110、焊接焊丝给送器140、焊接焊丝源160、气体源120、以及焊接焊炬或焊枪130。焊丝给送器140包括控制器150以及焊丝夹持装置170。控制器150可以包括电机(未示出)，所述电机驱动焊丝夹持装置170以将焊接焊丝电极从焊接焊丝源160(例如，线轴、卷筒等)拉拔穿过焊丝夹持装置170并且经由焊接线缆135拉拔到焊枪130中。这样的焊接系统在本领域是众所周知的。焊接供电装置110的第一电端子或输出接线柱可以连接至工件W，使得电连接至焊接供电装置的第二电端子或输出接线柱的焊接焊丝电极可以经由焊枪130来施加至工件W以在电弧焊接操作中产生焊接。
图2提供了电弧焊接系统100的示意图。供电装置110通过焊接引线103和105为工件W提供焊接信号或焊接波形。焊接信号具有电流和电压，并且可以是一种需要电流从一个水平变化到另一个水平的焊接信号。例如，信号可以是在焊接期间从基值变化到峰值水平的脉冲焊接信号、或者是以已知速率从一个极性变化到另一个极性的交变极性波形。来自供电装置110的电流经由接触尖端109传送到电极111以便在电极111与工件W之间产生电弧114。如在GMAW焊接操作中常见的那样，可以将正极引线103联接到焊丝给送器140，所述焊丝给送器随后将焊接电流通过焊接线缆135传递到接触尖端109。在这样的配置中，正极引线103的总长度是从供电装置110到焊丝给送器140的连接以及从焊丝给送器到接触尖端109的连接的组合。当然，引线103可以直接联接到接触尖端109。供电装置110可包括将焊接引线103、105连接到供电装置的电输出端的端子或输出接线柱115、116。
图3提供了电弧焊接系统100的另一个示意图，其中展示了供电装置110的额外细节。供电装置110从比如商用电源或发电机等电源172接收电能以便产生电弧114。电源172可以是单相或三相电源。在某些实施例中，电弧焊接系统100可以是包括一个或多个电池(未示出)的混合系统，所述一个或多个电池也向焊接供电装置110提供能量。供电装置110包括用于向接触尖端109和电极111供应焊接波形的输出电路系统。输出电路系统可以包括用于根据期望的焊接波形产生电弧114的开关型功率转换器(比如，逆变器174)。替代性地或另外地，焊接供电装置可以包括用于产生焊接波形的DC斩波器(未示出)或升压转换器(未示出)。来自电源172的AC功率由输入整流器176进行整流。来自整流器176的DC输出被供应给逆变器174。逆变器174向变压器178供应高频AC功率，并且通过输出整流器180将变压器的输出转换回DC。
来自输出电路系统的电流流动到接触尖端109并且流动到电极111和工件W以便产生电弧114。来自输出整流器180的焊接电流可以流过可控的输出开关182或电阻器170。使输出开关182去激活将通过迫使焊接电流通过电阻器170来迅速地减小焊接电流。可以使用输出开关182和电阻器170通过快速地减小焊接电流来减少焊接期间特定点处的飞溅。例如，当进行表面张力过渡STT或短弧焊接操作时，当在焊接电极111与工件W之间发生短路事件和/或将要中断时，通过选择性地使输出开关182去激活，焊接电流可以迅速地变为低电流水平。可以看到的是，电阻器170与输出开关182并联连接。当输出开关182处于接通或激活状态时，焊接电流经过输出开关流到焊炬130和电极111。当处于接通状态时，输出开关182有效地使电阻器170短路。当输出开关182处于关断或去激活状态时，电阻器170与焊炬130和电极111串联连接，并且焊接电流流经所述电阻器。在某些实施例中，电阻器170可以是可调的，以便控制低电流水平的量值。
焊接焊炬130被操作性地连接至供电装置110。供电装置110将焊接输出电能供给到焊接焊炬130以便产生电弧114并执行沉积操作(例如，焊接、增材制造、耐磨堆焊等)。焊炬130可以具有用于将由供电装置110供给的电能传输至电极111的接触尖端109。电极111可以是实心、药芯或金属芯的可消耗焊丝焊接电极。电极111可以通过焊丝给送器140从焊接焊丝源160给送，所述焊丝给送器在焊接操作期间使电极朝向焊接熔池前进。如图3中示意性示出的，焊丝给送器140可以包括用于朝向焊炬130驱动电极111的电动夹送辊。
电弧焊接系统100可以被配置用于直流电极正极性(DC+)或“反接(reverse)”极性，其中，接触尖端109和电极111连接至来自供电装置110的正极引线，而工件W被连接至负极引线。替代性地，电弧焊接系统100可以被配置用于直流电极负极性(DC-)或“正接(straight)”极性，其中，工件W连接至正极引线，而接触尖端109和电极111连接至负极引线。进一步，电弧焊接系统100可以被配置用于AC焊接，在所述AC焊接中，AC波形被提供至接触尖端109、电极111和工件W。
供电装置110包括控制器184，所述控制器被操作性地连接至输出电路系统，比如连接至逆变器174，以便控制由供电装置产生的焊接波形。控制器184可以向逆变器174提供波形控制信号以控制其输出。控制器184经由波形控制信号来控制逆变器174的输出，以实现期望的焊接波形、焊接电压、焊接电流等。波形控制信号可以包括用于控制逆变器174内的各种开关(例如，晶体管开关)的操作的多个单独的控制信号。控制器184还被操作性地连接至输出开关182以便控制所述开关在接通、激活状态与关断、去激活状态之间的切换操作。控制器184经由反馈信号监测焊接过程的各个方面。例如，比如电流互感器(CT)或分流器等电流传感器186可以向控制器184提供焊接电流反馈信号，并且电压传感器188可以向控制器提供焊接电压反馈信号。电流传感器186和电压传感器188位于供电装置110处，所述供电装置可以远离工件W和电弧114。然而，如将在下面进一步讨论的，控制器184可以根据由电压传感器和电流传感器在供电装置110的输出接线柱115、116处进行的电压测量和电流测量来监测焊接过程的状况，特别是远在工件W处出现的状况。
控制器184可以是电子控制器，并且可以包括处理器。控制器184可以包括微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、离散逻辑电路系统等中的一个或多个。控制器184可以包括存储器部分(例如，RAM或ROM)，所述存储器部分存储致使控制器提供在本文中赋予它的功能的程序指令。控制器184可以包括多个物理上分开的电路或电子装置，比如与单独的比较器、逻辑电路等结合的处理器。然而，为了便于解释，控制器184被示出为单体装置。
参照图2和图3，焊接引线103和105可以很长，因为工件W可以被定位成远离供电装置110。例如，在某些实例中，引线103/105可以具有100英尺或更长的长度。如此长的线缆长度可能使焊接电路的电感显著地增加并且负面地影响供电装置110确定工件处的状况的能力，所述状况比如是电弧电压、从接触尖端伸出的电极“伸出”长度、电弧长度、短路是否将要清除等。工件处的状况可能需要对焊接波形或其他焊接参数做出调节，并且供电装置的及时且正确地做出此类调节的能力可能会因线缆较长而受到削弱。例如，较大的线缆电感(例如，35μH或更大)可能负面地影响供电装置110的下述能力：确定电极111与工件W之间的短路是否将要清除、确定电极“伸出”的变化、确定在穿弧焊缝跟踪(TAST)期间的焊接路径调节，等等。进一步，当焊接电路的电感和/或电阻较大时，可能期望调节某些焊接参数。这些参数的示例包括焊接供电装置110上的平均输出电压或“修整”设置或焊接电流波形的斜变速率。如果焊接线缆较长，则可以通过增加平均焊接电压(例如，增加修整设置)来适应或抵消焊接电路中电感和电阻的相应增加，以便维持适当的电弧长度和供应给焊接的能量水平。当焊接线缆较长时，可以减小焊接电流的斜变速率。在更极端的情形中，如果焊接线缆太长或在焊接电路中增加了过多的电感，比如当线缆很长且盘绕时，可能期望经由警报来指示操作员采取补救措施。考虑到焊接电路的电感，本文讨论的供电装置110可以根据远在供电装置处进行的测量来确定工件处的状况。在某些实施例中，供电装置110可以在焊接之前或期间确定线缆电感、并且实时地确定焊接电路的总阻抗和感抗。使用所述信息，供电装置110可以将焊接电路的总阻抗转换为补偿电阻，所述补偿电阻包括工件处的焊接电极的电阻。然后，供电装置110可以随后使用补偿电阻来实时地确定工件处的状况，比如在电极与工件之间的短路将要清除时的时间点，并且对这些状况作出响应(例如，通过减小焊接电流来使飞溅最小化)。进一步，供电装置110可以使用测量的或估算的线缆电感和/或补偿电阻来尤其进行参数调节、执行焊缝跟踪、确定提供给电弧的功率量、帮助对焊接质量进行分类、产生各种警报等。
图4示出了焊接电路200的示意图。焊接电路200从供电装置110的输出接线柱115、116延伸到焊炬和工件(未示出)。供电装置110可以使用供电装置中的电流传感器和电压传感器来测量焊接电路200中的焊接电流IS以及在输出接线柱115、116之间的焊接波形的输出电压VS。电阻RT是在焊炬和工件处的电阻，并且电压VT是焊炬与工件之间的电压。在电弧状况期间，VT相对较高。然而，在焊丝电极与工件之间的短路状况期间，VT接近0V，并且仅仅是跨短接至工件的焊丝电极的电压降。
电感LC是焊接电路电感，所述焊接电路电感包括可变线缆电感并且还包括供电装置中的电感。电阻RC主要是焊接线缆的电阻以及返回或接地路径的电阻，所述返回或接地路径可以通过焊接线缆或者通过另一返回路径(例如，接地路径)。电感LC和电阻RC将随着线缆长度变长而增大，并且LC可以随着线缆取向(例如，盘绕、非盘绕等)的不同而变化。电路电容、或容抗因对整个电路阻抗产生的影响不大而一般可以忽略不计。当线缆长度较短时，对供电装置110处的VS的测量可以提供关于工件处的状况的有用信息，例如焊接电极与工件之间的短路是否将要发生或清除。然而，在较长的线缆长度和较高的线缆电感(例如35μH或更大)的情况下，线缆的阻抗在焊接电路中占主导地位，并且常规上不能从VS和/或IS准确地获得工件处的某些状况。因此，虽然供电装置110已经使用专用感测引线来更直接地监测VT，但是出于上面讨论的各种原因，一般不希望使用感测引线。
供电装置110，特别是其控制器，被配置成通过监测输出接线柱115、116之间的焊接电流IS和电压VS来远程地确定工件处的状况。在焊接操作期间，控制器可以根据以下等式来实时地计算焊接电路的阻抗ZS：ZS＝VS/IS。ZS是焊接电路中各个阻抗的总和，包括由于线缆电感LC引起的感抗XC、线缆电阻RC、以及焊炬/工件处的电阻RT。因此，ZS＝XC+RC+RT。感抗XC等于线缆电感乘以焊接电流IS的变化率除以IS：XC＝(LC)(dIS/dt)/IS。将XC代入焊接电路阻抗方程得出：ZS＝(LC)(dIS/dt)/IS+RC+RT。因此，可以使用下述等式计算焊炬/工件处的电阻RT：RT＝ZS-(LC)(dIS/dt)/IS-RC。进一步，用VS/IS替换ZS得到下述等式：RT＝VS/IS-(LC)(dIS/dt)/IS-RC。可以将在焊炬/工件处的计算出的电阻RT视为“补偿电阻”，因为对线缆阻抗的影响得以补充。
在焊接期间实时地获知焊炬/工件处的电阻RT和/或实时地监测其变化可以为焊接供电装置110提供关于在焊接电极处发生事物的重要反馈信息。例如，随着焊接电极111与工件W之间的短路将要清除或中断，电极在熔融的焊接熔池202处展现出颈缩或变细(图5)。电极的变细导致电阻RT升高。监测RT的变化(例如，ΔRT)可以允许供电装置110确定短路何时将要清除，并减小焊接电流(例如，通过将输出开关182去激活(图3))，以便在短路中断和电弧重燃时使飞溅最小化。监测RT和/或ΔRT还可以向焊接供电装置110提供关于电极伸出变化的信息，所述信息在执行穿弧焊缝跟踪时可以用到。监测RT和/或ΔRT还可以向焊接供电装置110提供关于传送到工件的功率或能量的量的信息，根据所述信息可以确定焊接质量。
如以上所指出的，可以使用下述等式计算或估算RT：RT＝VS/IS-(LC)(dIS/dt)/IS-RC。供电装置110可以实时地监测VS和IS。为了估算电路电感LC，当电流以受控方式从第一水平变化到不同于第一水平的第二水平时，供电装置可以监测VS。受控的电流变化可以是总体上线性的斜坡，或者是非线性的变化(例如，指数电流变化)。从第一水平到第二水平的受控电流变化可以是正的(例如，电流增大)也可以是负的(例如，电流减小)。进一步，当电极111短接至工件W时，可以发生从第一水平到第二水平的受控电流变化。线性或非线性电流斜变可以是向上的斜坡或向下的衰减斜坡，并且可以在主动焊接期间或者在焊接之前进行的焊接线缆测试期间发生。在某些实施例中，可以在焊接期间(例如，实时地)反复地确定电感LC，以便解决例如由于焊接线缆变得卷绕而导致电路电感随时间推移而变化的问题。当电流IS为常数(例如，dIS/dt＝0以使反应阻抗最小)时，还可以在主动焊接期间或在焊接线缆测试期间在电极111短接至工件的情况下测量线缆电阻RC。当在完全短路期间已知电极111没有颈缩或变细时优选地测量电路电感LC和电阻RC，以便提供基线电路阻抗。可以在电极111短接至工件W的情况下测量电路电感LC和电阻RC，从而消除工件处跨电弧的电压降。然而，应了解的是，可以在焊接期间的其他时间点进行此类测量，比如在短路正在清除并且有意地快速减小焊接电流以使飞溅最小化时，或者在施加脉冲电流以在短路事件之后重新建立电弧时。这些事件中的任何一个事件(例如，迅速地减小电流或施加电流脉冲)都将包括量值较高的dIS/dt，这有助于计算电路电感LC。电路电感LC和/或电阻RC可以在之前的沉积操作期间进行测量，并且保存在存储器中以便在后续的沉积操作期间使用，并且LC和RC的值可以根据需要不时地更新。
在某些实施例中，线缆电阻RC对RT的计算的影响可以通过校准变量CV来估计。校准变量可以根据经验来确定，并且可以存储在供电装置110的存储器中。如果使用校准变量，那么用于计算RT的等式如下：RT＝ZS-XC-CV＝VS/IS-(LC)(dIS/dt)/IS-CV。
将在STT焊接操作的背景下讨论补偿电阻RT的示例性计算和使用。适于STT焊接的波形在图6中示出，并且将参照图3中示出的系统部件进行讨论。所述波形包括基值电流部分300、箍缩电流部分302、以及等离子体升压脉冲304，随后是到另一基值电流部分300的收尾306。在基值电流部分300与箍缩电流部分302之间以及在箍缩电流部分302与等离子体升压脉冲304之间的是最小电流部分308a、308b。可以看出的是，基值电流部分300具有比最小电流部分308a、308b更大但是比箍缩电流部分302和等离子体升压脉冲304更小的量值。在焊接波形的基值电流部分300、箍缩电流部分302和等离子体升压脉冲部分304期间，输出开关182处于接通状态，并且在这些部分期间焊接电流流经输出开关。在最小电流部分308a、308b期间输出开关182处于关断状态，并且在最小电流部分期间焊接电流流经电阻器170。由电阻器170的电阻水平来确定最小电流部分308a、308b的量值。基值电流部分300的示例性电流范围是15A至150A。箍缩电流部分302和等离子体升压脉冲304的示例性电流范围是150A至500A。最小电流部分308a、308b的示例性电流范围是20A至125A。
在基值电流部分300期间，在电极111的端部上形成熔融球，并且电极可以短接至工件W上的焊接熔池。控制器184可以通过监测焊接电压VS来识别短路的存在。当检测到短路时，控制器首先实施最小电流部分308a，并且通过关断输出开关182来将焊接电流迅速地减小到最小电流水平308a。减小焊接电流帮助确保完全短路并且避免电极像保险丝一样烧断。在第一最小电流部分308a之后并且在电极与工件之间完全短路期间，通过输出开关182施加箍缩电流302，以使电极111的端部颈缩以便分离变成焊接熔池。就在短路清除之前，在波形上的点C处，控制器再次关断输出开关182以实施第二最小电流部分308b并且迅速地将焊接电流减小至低电流水平，以便防止在熔融球从电极箍断时产生飞溅。当重新建立电弧时，控制器184通过输出开关182施加峰值电流或等离子体升压脉冲304，以便设定适当的电弧长度并将焊接熔池推离焊丝电极111。然后，等离子体升压脉冲304由控制器184进行收尾306，以使焊接电流返回至基值电流300的水平。
在波形上的点C处，熔融球将要从电极111箍断，并且电极会如图5所示的那样颈缩。由于颈缩而导致的电极111的减小的截面面积导致焊炬处的电阻RT升高。通过从先于电极111颈缩的时间点一直到点C实时地监测RT的值的变化(例如，ΔRT)，控制器184可以确定何时将要发生箍断以及何时短路事件将会清除。当控制器184基于增加的电阻RT确定将要发生箍断时，所述控制器将输出开关182去激活以便将电流减小到最小电流水平308b。在某些实施例中，可以将RT值的变化ΔRT与阈值进行比较来确定何时将要发生箍断，使得当ΔRT达到或超过阈值时控制器184使输出开关182去激活。ΔRT的阈值表示熔融球将要从电极111箍断，并且可以凭经验来确定并存储在供电装置110的存储器中。ΔRT的阈值的示例性范围是1mohm至10mohm、2mohm至5mohm等，然而，其他范围也是可能的并且可以凭经验来确定。
在常规的STT焊接中，焊接波形的箍缩电流部分是从第一电流水平到第二电流水平的大致线性的电流斜坡。然而，图6中波形的箍缩电流部分302被配置成允许基于在焊接电极完全地短接至工件时进行的电压和/或电流测量值而在焊接期间实时地确定电路电感LC和电路基线电阻RC。然后，实时电路电感LC和电阻RC测量值可以随后被用于计算当电极颈缩时在箍缩电流部分302的最终电流斜坡期间工件处的电极的补偿电阻RT。箍缩电流部分302具有第一线性斜坡309(时段A)，所述第一线性斜坡以恒定的电流变化率(dIS/dt)提供电流水平的受控变化(例如，从第一水平到第二水平)。电路电感LC可以在第一线性斜坡309期间根据在供电装置处测量的焊接波形的输出电压和电流变化来计算。在第一线性斜坡309之后是恒定电流部分310，在恒定电流部分期间由于电路电感引起的反应阻抗被最小化。可以在箍缩电流302的恒定电流部分310期间(例如，在时段B期间)计算线缆电阻或电路基线电阻RC。在箍缩电流302的第一线性斜坡309和恒定电流部分310期间，电极被加热但是尚未箍断或者明显地颈缩。箍缩发生在第二斜坡312期间，所述第二斜坡可以具有与第一线性斜坡309相同的斜率或不同的斜率。控制器184根据在恒定电流部分310期间测量到的基线或偏移电阻RC来监测第二斜坡312期间的RT值的变化(ΔRT)，以预测熔融球何时将会箍断，以便对输出开关182的去激活进行适当地定时并且快速地减小焊接电流IS。常规地，输出开关182的操作基于使用感测引线确定的或由焊丝给送器传达的在工件处的电压变化率。然而，如上所述的监测补偿电阻RT的变化以及基于其来操作输出开关182，免除了对额外感测引线和从焊丝给送器进行传达的需求。应了解的是，可以根据焊接波形的除箍缩电流部分302之外的其他部分来确定电路电感LC。例如，电路电感LC可以根据从箍缩电流部分的终点(点C)到最小电流部分308b的电流减小量、或者根据从最小电流部分308b的终点到等离子体升压脉冲304的电流增加量来确定。进一步，在电流线性或非线性地增大/减小时，可以根据焊接期间施加的能量和焊接电流来确定电路电感LC。
图7至图9以图表形式示出了当电极在箍断期间发生颈缩时，焊接供电装置处测量的焊接电路的阻抗ZS、焊接电路的感抗XC、以及补偿电阻RT表现如何。所述表现发生在图6中示出的示例性电流波形的第二斜坡312部分期间，此时供电装置监测ΔRT以确定熔融球即将从电极箍断。在图7中可以看到，当电流IS向上斜变而使熔融球箍断时，阻抗ZS保持相对稳定。因此，仅仅用ZS不能很好地指明熔融球即将分离。随着电流IS向上斜变，感抗XC(图8)线性地向下倾斜。因为XC＝(LC)(dIS/dt)/IS，所以当IS在第二斜坡312部分期间向上斜变时，感抗XC线性地减小。如图9所示，在电极颈缩时，补偿电阻RT总体上线性地增大。通过监测RT的变化，供电装置可以预测何时熔融球将会箍断并且通过减小焊接电流相应地作出响应。
图10示出了类似于图6的示例性焊接波形。随着焊接线缆长度增大和焊接电路的电感水平增大，供电装置准确地确定熔融球何时将会从电极箍断的能力可能降低。也就是说，随着线缆长度/电感的增大，供电装置对补偿电阻RT的确定可能变得较不准确。在可以准确地确定补偿电阻RT的正常条件下，供电装置将使输出开关182(图3)去激活一段时间以便允许重新建立电弧。然而，如果过早地将输出开关182去激活(例如，由于RT的不准确计算)，那么熔融球在准备好脱离之前可能不适当地脱离，这可能导致电极熄弧。当线缆电感和电路电感LC较大时，供电装置因为其对补偿电阻RT的确定较不准确而更有可能过早地将输出开关182去激活。为了解决RT的计算可能不准确以及输出开关182可能将过早地去激活的问题，在熔融球准备好箍断之前，供电装置可以比正常下更早地重新激活或接通输出开关182。这将在箍断期间增大焊接电流，这可能导致更多飞溅，但将有助于确保熔融球分离并防止电极熄弧。在示例性实施例中，供电装置将测量或估算的电路电感LC与阈值水平或阈值(例如，35μH、40μH、50μH、大于50μH等)进行比较。当电路电感LC达到或超过阈值时，在点C处将输出开关去激活之后并且在达到低于箍缩电流的预定电流水平D时，供电装置将输出开关182重新激活。预定电流水平D高于在短路清除时正常传送到焊接电极的最小电流部分308b的水平。预定电流水平D的示例性电流范围是40A至125A。当焊接电流下降到预定电流水平D时，供电装置重新激活输出开关182并且控制焊接电流。预定电流水平D可以是足以清除短路的水平，并且可以凭经验确定。在施加等离子体升压脉冲304之前，供电装置可以控制焊接电流以保持恒定的水平(例如，水平D)或者斜变(例如，向下斜变)。
有时在收尾306期间，电极与工件之间可能发生非常短暂的短路，所述短路会快速地清除。供电装置可以识别短路的存在并且不适当地将输出开关182去激活而减小电流。这在图10中的点E处示出，其中输出开关已被去激活并且电流水平已被降低。因为短路发生在到基值电流部分300的收尾306期间，所以在重新激活输出开关之后，供电装置会倾向于将电流控制到基值水平300。然而，在这种情形下，因为收尾的一部分已被去除，所以在收尾部分306和基线电流部分300期间向电极传送的能量和热量少于所期望的(这可能导致液滴分离较差)。为了解决此问题，供电装置(例如，控制器)可以包括缓冲器，所述缓冲器存储有电流水平的运行内存。运行内存根据期望可以为任意时长，例如从小于一秒到几分钟。如图10所示，在重新激活输出开关之后，供电装置可以随后返回到运行内存中存储的先前电流水平。返回到在输出开关去激活之前所达到的电流水平可以导致收尾306和基值部分300的长度稍微延长持续所述波形的一个时段。各种参数可以存储在供电装置的运行内存中，比如电压、功率、阻抗、补偿电阻等。
确定电极颈缩和熔融球箍断只是以上讨论的关于焊接电路阻抗的测量和计算的一个示例性应用。补偿电阻RT还可以用来确定例如在焊接期间自动进行焊缝跟踪时电极伸出的变化。焊接电极的截面比焊接线缆的截面小得多，并且可以具有更大的电阻。焊接电极的电阻将随着伸出减少而减小。使用补偿电阻RT监测电极伸出的变化可以帮助改进焊缝跟踪的准确性或者改进基于伸出的或在其期间对伸出进行监测的任何其他过程的准确性。分析补偿电阻RT还可以提供关于传送到工件的功率或能量的量的信息，根据所述信息可以确定焊接质量。焊接质量可以根据焊接期间使用的保护气体混合物来进一步进行分类。例如，如果焊接电路的电阻或阻抗超出给定电极、气体和接触尖端到工件的距离(CTWD)的可接受范围，那么可以产生适当的警报或将焊接标记为不合格。所测量的电路电感和电阻(例如，电路基线电阻和/或补偿电阻)可以用于自动地调节比如焊接电压等焊接参数或者产生警报或其他警告。如以上所指出的，可以基于电缆电阻来调节供电装置的“修整”设置。修整设置是用来控制电弧长度的总电压调节。当焊接线缆的电阻较高时，供电装置可以增加修整以便适应跨焊接线缆的增加的电压降。焊接供电装置可以包括查找表，所述查找表将线缆电阻和焊接电流与修整值相关联，以便将修整设置自动地调节为适合当前焊接系统设置的值。
图11是由焊接供电装置执行的示例性过程的流程图。在步骤350中，供电装置为可消耗电极提供一系列焊接波形。根据在向电极提供焊接波形之前或期间获得的数据，供电装置确定焊接电路的电路电感(步骤352)。可以基于在穿过电极的电流水平以受控方式变化的同时进行的电压测量和电流测量来确定电路电感。供电装置进一步确定焊接电路的基线电阻(步骤354)。所述电阻确定可以基于在穿过电极的电流水平保持恒定并且电极短接至工件的同时进行的电压测量和电流测量。电感测量和电阻测量可以在焊接或其他沉积操作期间实时地进行。供电装置可以进一步根据在沉积操作期间进行的电压测量和电流测量来实时地确定焊接电路的阻抗(步骤356)。根据焊接电路的阻抗、实时电压测量和电流测量、电路电感和基线电阻，供电装置可以实时地确定焊接电路中补偿电阻的变化(例如，由电极颈缩导致)(步骤358)。例如，供电装置可以将焊接电路的总阻抗转换成补偿电阻。基于补偿电阻的变化，供电装置识别出短路情况将要清除并且可以控制输出开关的操作以便在沉积操作期间使焊接电流减小/最小化并且使飞溅最小化(步骤360)。
图12展示了焊接供电装置的示例性控制器184的实施例。控制器184包括至少一个处理器414，所述至少一个处理器经由总线子系统412与若干个外围装置通信。这些外围装置可以包括存储子系统424(包括例如存储器子系统428和文件存储子系统426)、用户接口输入装置422、用户接口输出装置420、以及网络接口子系统416。输入装置和输出装置允许用户与控制器184进行交互。网络接口子系统416提供到外网的接口并且联接到其他计算机系统中的对应接口装置。
用户界面输入装置422可以包括键盘、指向装置(比如鼠标、追踪球、触摸板或图形输入板)、扫描仪、并入显示器中的触摸屏、音频输入装置(比如声音识别系统、麦克风和/或其他类型的输入装置)。总体上，使用的术语“输入装置”旨在包括将信息输入到控制器184中或输入到通信网络上的所有可能类型的装置和方式。
用户接口输出装置420可以包括显示子系统、打印机、传真机、或比如音频输出装置等非视觉显示器。显示子系统可以包括阴极射线管(CRT)、比如液晶显示器(LCD)等平板装置、投影装置、或者用于创建可见图像的某种其他机构。显示子系统还可以比如经由音频输出装置来提供非视觉显示。总体上，使用的术语“输出装置”旨在包括将来自控制器184的信息输出到用户或另一个机器或计算机系统的所有可能类型的装置和方式。
存储子系统424提供存储编程和数据构造的非暂时性计算机可读存储介质，所述编程和数据构造提供了在本文中所描述的一些或所有控制算法和软件模块的功能。这些软件模块一般是由处理器414单独地或与其他处理器组合地执行的。存储子系统中使用的存储器428可以包括多个存储器，包括：在程序执行过程中用于存储指令和数据的主随机存取存储器(RAM)430和存储有固定指令的只读存储器(ROM)432。文件存储子系统426可以为程序和数据文件提供持久性存储，并且可以包括硬盘驱动器、与相关联的可移除介质一起的软盘驱动器、CD-ROM驱动器、光盘驱动器或者可移除介质盒。实现某些实施例的功能的模块可以通过文件存储子系统426存储在存储子系统424中、或者存储在所述或这些处理器414可访问的其他机器中。
总线子系统412提供了让控制器184的各个部件和子系统按预期彼此通信的机构。虽然总线子系统412被示意性地示出为单一总线，但是所述总线子系统的替代性实施例可以使用多条总线。
控制器184的具有比图12所描述的控制器更多或更少部件的许多其他构型是可能的。
应清楚的是，本披露内容是以举例的方式，并且在不脱离本披露内容中所包含的传授内容的合理范围的情况下，可以通过添加、更改或去除细节来作出各种改变。因此，本发明不限于本披露内容的具体细节，除非所附权利要求被必要地如此限定。

Claims (30)

1.一种焊接或增材制造供电装置，包括：
输出电路系统，所述输出电路系统被配置成产生焊接波形；
电流传感器，所述电流传感器用于测量由所述输出电路系统产生的焊接电流；
电压传感器，所述电压传感器用于测量所述焊接波形的输出电压；以及
控制器，所述控制器被操作性地连接到所述输出电路系统以控制所述焊接波形、并且被操作性地连接到所述电流传感器和所述电压传感器以监测所述焊接电流和所述输出电压，
其中，焊接波形的一部分包括从第一水平到不同于所述第一水平的第二水平的受控电流变化，并且其中，所述控制器被配置成根据所述输出电压和所述受控电流变化来确定电路电感、并且基于所述电路电感来实时地确定可消耗电极的电阻变化。
2.如权利要求1所述的焊接或增材制造供电装置，其中，所述控制器被配置成根据所述焊接电流和所述输出电压来实时地确定电路阻抗。
3.如权利要求1所述的焊接或增材制造供电装置，其中，所述受控电流变化发生在所述焊接波形的电流斜坡部分期间。
4.如权利要求1所述的焊接或增材制造供电装置，其中，所述控制器被配置成基于所述可消耗电极的电阻变化来确定短路事件的清除。
5.如权利要求1所述的焊接或增材制造供电装置，其中，所述控制器被配置成基于所述可消耗电极的电阻变化来确定电极伸出距离的变化。
6.如权利要求1所述的焊接或增材制造供电装置，进一步包括：
输出开关；以及
电阻器，所述电阻器与所述输出开关并联连接，
其中，所述焊接波形包括最小电流部分、在所述可消耗电极与工件之间的短路事件期间的箍缩电流部分、等离子体升压脉冲部分、以及从所述等离子体升压脉冲部分到基值电流水平的收尾，并且
其中，所述控制器被操作性地连接到所述输出开关并且被配置成将所述输出开关去激活以便基于所述可消耗电极的电阻变化来实施所述焊接波形的最小电流部分。
7.如权利要求6所述的焊接或增材制造供电装置，其中，所述控制器被配置成将所述可消耗电极的电阻变化与阈值进行比较、并且当所述可消耗电极的电阻变化达到或超过所述阈值时将所述输出开关去激活。
8.如权利要求6所述的焊接或增材制造供电装置，其中，所述控制器被配置成将所述电路电感与阈值进行比较、并且基于所述电路电感与所述阈值的比较结果来控制所述输出开关的重新激活。
9.如权利要求6所述的焊接或增材制造供电装置，其中，所述箍缩电流部分包括恒定电流部分，所述控制器根据所述恒定电流部分来确定电路基线电阻。
10.如权利要求1所述的焊接或增材制造供电装置，其中，所述控制器被配置成基于所述电路电感来调节焊接电流斜变速率。
11.一种焊接或增材制造系统，包括：
可消耗电极；
焊炬；
焊丝给送器，所述焊丝给送器使所述可消耗电极在沉积操作期间前进穿过所述焊炬；以及
供电装置，所述供电装置通过至少一条线缆被操作性地连接到所述焊丝给送器和所述焊炬，
其中，所述供电装置被配置成为所述焊炬提供一系列焊接波形以便在所述可消耗电极中产生焊接电流，其中，所述一系列焊接波形的各个焊接波形的一部分包括电流从第一水平到不同于所述第一水平的第二水平的受控电流变化，并且其中，所述供电装置被配置成基于在所述受控电流变化期间进行的电压测量和电流测量来确定电路电感，并且
其中，所述供电装置被配置成基于所述电路电感来实时地确定所述可消耗电极的电阻变化。
12.如权利要求11所述的焊接或增材制造系统，其中，所述供电装置包括用于测量所述焊接电流的电流传感器、以及用于测量所述供电装置的输出电压的电压传感器，并且其中，所述供电装置被配置成根据所述焊接电流和所述输出电压来实时地确定电路阻抗。
13.如权利要求11所述的焊接或增材制造系统，其中，所述受控电流变化发生在所述各个焊接波形的电流斜坡部分期间。
14.如权利要求11所述的焊接或增材制造系统，其中，所述供电装置被配置成基于所述可消耗电极的电阻变化来确定短路事件的清除。
15.如权利要求11所述的焊接或增材制造系统，其中，所述供电装置被配置成基于所述可消耗电极的电阻变化来确定电极伸出距离的变化。
16. 如权利要求11所述的焊接或增材制造系统，其中，所述供电装置包括：
输出开关；以及
电阻器，所述电阻器与所述输出开关并联连接，
其中，所述各个焊接波形包括最小电流部分、在所述可消耗电极与工件之间的短路事件期间的箍缩电流部分、等离子体升压脉冲部分、以及从所述等离子体升压脉冲部分到基值电流水平的收尾，并且所述供电装置被配置成基于所述可消耗电极的电阻变化来将所述输出开关去激活。
17.如权利要求16所述的焊接或增材制造系统，其中，所述供电装置被配置成将所述可消耗电极的电阻变化与阈值进行比较、并且当所述可消耗电极的电阻变化达到或超过所述阈值时将所述输出开关去激活。
18.如权利要求16所述的焊接或增材制造系统，其中，所述供电装置被配置成将所述电路电感与阈值进行比较、并且基于所述电路电感与所述阈值的比较结果来控制所述输出开关的重新激活。
19.如权利要求16所述的焊接或增材制造系统，其中，所述箍缩电流部分包括恒定电流部分，所述供电装置根据所述恒定电流部分来确定电路基线电阻。
20.如权利要求11所述的焊接或增材制造系统，其中，所述供电装置被配置成基于所述电路电感来调节焊接电流斜变速率。
21.一种焊接或增材制造供电装置，包括：
输出电路系统，所述输出电路系统被配置成产生焊接波形；
电流传感器，所述电流传感器用于测量由所述输出电路系统产生的焊接电流；
电压传感器，所述电压传感器用于测量所述焊接波形的输出电压；以及
控制器，所述控制器被操作性地连接到所述输出电路系统以控制所述焊接波形、并且被操作性地连接到所述电流传感器和所述电压传感器以监测所述焊接电流和所述输出电压，
其中，焊接波形的一部分包括从第一水平到不同于所述第一水平的第二水平的受控电流变化，并且其中，所述控制器被配置成在沉积操作期间至少根据所述受控电流变化来实时地确定电路电感、并且基于所述电路电感来实时地确定可消耗电极的电阻变化。
22.如权利要求21所述的焊接或增材制造供电装置，其中，所述控制器被配置成根据所述焊接电流和所述输出电压来实时地确定电路阻抗。
23.如权利要求21所述的焊接或增材制造供电装置，其中，所述受控电流变化发生在所述焊接波形的电流斜坡部分期间。
24.如权利要求21所述的焊接或增材制造供电装置，其中，所述控制器被配置成基于所述可消耗电极的电阻变化来确定短路事件的清除。
25.如权利要求21所述的焊接或增材制造供电装置，其中，所述控制器被配置成基于所述可消耗电极的电阻变化来确定电极伸出距离的变化。
26. 如权利要求21所述的焊接或增材制造供电装置，进一步包括：
输出开关；以及
电阻器，所述电阻器与所述输出开关并联连接，
其中，所述焊接波形包括最小电流部分、在所述可消耗电极与工件之间的短路事件期间的箍缩电流部分、等离子体升压脉冲部分、以及从所述等离子体升压脉冲部分到基值电流水平的收尾，并且
其中，所述控制器被操作性地连接到所述输出开关并且被配置成将所述输出开关去激活以便基于所述可消耗电极的电阻变化来实施所述焊接波形的最小电流部分。
27.如权利要求26所述的焊接或增材制造供电装置，其中，所述控制器被配置成将所述可消耗电极的电阻变化与阈值进行比较、并且当所述可消耗电极的电阻变化达到或超过所述阈值时将所述输出开关去激活。
28.如权利要求26所述的焊接或增材制造供电装置，其中，所述控制器被配置成将所述电路电感与阈值进行比较、并且基于所述电路电感与所述阈值的比较结果来控制所述输出开关的重新激活。
29.如权利要求26所述的焊接或增材制造供电装置，其中，所述箍缩电流部分包括恒定电流部分，所述控制器根据所述恒定电流部分来确定电路基线电阻。
30.如权利要求21所述的焊接或增材制造供电装置，其中，所述控制器被配置成基于所述电路电感来调节焊接电流斜变速率。
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