CN1203953C - 短路电弧焊机和控制短路电弧焊机的方法 - Google Patents

Abstract

一种可被操作以借助由控制电弧状态的第二波形跟随的控制短路状态的第一波形完成短路过程的电弧焊机，所述焊机包括比较器，以在所述短路状态终止时产生电弧信号；控制器，响应产生的所述电弧信号而将所述焊机从由所述第一波形的控制变换成由所述第二波形的控制。

Description

短路电弧焊机和控制短路电弧焊机的方法

技术领域

本发明涉及电弧焊接技术，特别涉及具有用于完成短路电弧焊接的专用控制器的电弧焊机。

背景技术

在专用于管道焊接类型的电弧焊接领域中，通过采用称为STT焊接的短路电弧焊接方法来控制焊接熔潭温度和流动性。该技术由林肯电器公司(Lincoln Electric Company)开发并获得专利，而且公开在几个专利中，包括Parks 4866247、Stava 5148001和Stava 6051810。这三个专利公开了STT焊接技术，本发明最好用于该技术中。由于该技术已经是公知的，因此通过参考而合并这些专利，提供了用于理解本发明装置的一般性背景信息。在实施STT短路焊接中，波形发生器通过产生一系列电流脉冲来生成用于焊接过程的精确波形，该电流脉冲的宽度决定了循环精确部分的焊接过程中流过的电流。在实施这种类型的电弧焊接以及其它短路方法时，通常采用由林肯电器公司销售的Power Wave电弧焊机。在Blankenship 5278390中公开了基于逆变器的焊机。通过参考而合并该专利以便公开为实施本发明而使用的一般类型焊机。

在各种方法如喷射焊接、熔滴焊接和短路焊接中完成电弧焊接。不管采用什么方法，逆变器将三相线电流转换成期望的电压或电流。用于电弧焊机的基于逆变器的电源具有基于数字的控制(digitally basedcontrol)以在电弧焊接方法中产生期望的输出电流或电压。在管道焊接中，最好是采用脉冲焊接或短路焊接来封闭相邻工件边缘之间的开口间隙的第一焊道即“根部焊道”。为获得最好结果，通过采用已获得专利的STT技术实现短路电弧焊接过程。在该技术中，精确电流波形由电源输出。在被短路的金属分开以产生新的电弧之前，通过急剧降低电流而使飞溅降低。因此，电流波形产生等离子体增加(plasma boost)用于熔化等待下次短路的焊极端部。在电流收尾中的等离子体增加脉冲的峰值电流逐渐降低直到到达设定的本底电流。因此，保持该本底电流，直到熔融金属球靠着工件短路引起下一循环。在该STT电弧焊接过程中，电流波形由一系列电流脉冲准确控制，其宽度决定波形中任何时间的电流强度。通过采用该技术，电流波形得以控制熔潭温度和流动性。在断续焊接应用如管道焊接的开口根部焊道这样的性能是很关键的。如果熔潭过冷，会导致缺乏金属熔化。其结果是，当熔潭过热时，通过焊接金属“吸回”到根部会引起较差的内部背面焊道。在以前，已经将STT短路焊接作为短路控制过程来实施。如果操作者想改变电弧和/或熔潭中的热量，他必须通过机器设定来调节电流。

发明内容

根据本发明，提供一种可以在STT模式下起作用的电弧焊机，在STT模式中热量仅通过改变焊极的位置而得以控制。当延伸长度在短路焊接过程的电弧状态中增大时，热量减小，反之亦然。本发明是产生短路焊接过程电弧部分或状态的电压波形的控制器。因此，电源可以在电流和电压控制模式下操作，使电流控制最好用于焊接循环的短路部分，而电压控制用于等离子体部分。因此，电源的电流模式将使用与STT焊机相同的波形控制来实现焊接循环的短路状态。当焊极端部的熔融金属球靠着工件短路时，实现受控的压带(pinch)电流波形。Dv/dt、dr/dt或dt/dt检测器决定了金属从焊极的迅速断裂或分离。断开电源开关以在焊极分离前瞬时降低电流。该动作减小了飞溅。当短路被断开时，立即形成电弧状态或等离子体状态。电源电子部件检测作为电弧电压升高的焊极断开。电源变换成电压控制相位。产生电压波形以提供用于产生电压限定功率增加脉冲的峰值电压。在该电压模式中，电流会由于电压波形的期望固定峰值电压而改变。如果电压控制电路是精确的并且延伸长度保持相当恒定，则焊接电流将是相当恒定的。焊接过程的电压受控部分具有预定的收尾和设定的本底电压，电压转变成该本底电压以等待下一次短路。通过控制短路焊接过程的电弧状态中的电压，可以将焊接熔潭温度和流动性精确控制到使焊接过程最优化，并工作在电源的电压范围。采用在短路状态中的电流波形和在电弧状态中的电压波形的本项新技术可以应用在任何短路电弧焊接过程中。本发明仅包括在短路焊接过程的电弧状态中采用的受控电压波形。可以根据标准技术或通过STT技术中使用的精确电流波形来控制焊接过程的短路状态。本发明的基本方面是短路状态的电流装置，该短路状态具有焊接过程的电弧或等离子体状态的精确电压波形。

根据本发明的一方面，提供一种被操作以借助由控制电弧状态的第二波形跟随的控制短路状态的第一波形来完成短路过程的电弧焊机。该焊机包括比较器以在短路状态结束时产生电弧信号。控制器接着将焊机从由第一波形的控制变换成由第二波形的控制。响应产生的电弧信号，第二波形是精确的电压波形，其中第一波形是稍微通用一些的电流波形。在本发明更广的方面，第一波形是电流控制波形，第二波形是电压控制波形。当然，第二波形有时是瓦特数控制波形或焦耳控制波形。这些复合参数都是电弧电压的函数。当然，实现的波形是一系列限定本发明电流波形或电压波形的电流脉冲。

本发明的另一方面是提供一种用于电弧焊机的控制器，操作该电弧焊机以便借助由电弧状态跟随的短路状态来完成短路过程。该控制器具有在短路状态的第一电流控制模式和在电弧状态的与电流控制模式不同的第二控制模式。第二控制模式最好是由精确波形处理修整的电压。已经执行第二控制模式作为精确波形中的瓦特数和精确波形中的焦耳控制。通过一系列产生于频率超过18kHz的并基本高于20kHz的电流脉冲而在焊接过程中产生波形。实际上，这些脉冲由脉冲宽度调制器产生，该脉冲宽度调制器用于闭环反馈中以根据由波形发生器输出的期望分布(profile)来控制电流或电压。

本发明的又一方面是提供控制电弧焊机的方法，操作该电弧焊机以借助由电弧状态跟随的短路状态来完成短路过程。该方法包括在短路状态采用第一电流控制模式和在电弧状态采用的与电流控制模式不同的第二控制模式。实际上，该方法包括实施第二控制模式作为在电弧状态中跟随精确波形的电压模式。这样具有上述的优点。无论电弧阻抗为何，电源工作在其电压范围。

根据本发明的另一方面，提供数字超越(override)控制开关，在电弧状态强制进行电源的电流控制。该超越控制发生在已经由电压控制形成熔融金属球之后。

本发明的比较器系统在指示所述短路状态时产生短路信号。本发明的控制器，响应产生的所述短路信号将所述焊机从由所述电压波形、瓦特数波形和焦耳波形中的至少一种的控制变换成由所述电流波形的控制。

本发明的首要目的是提供短路焊接的电弧焊机、焊机的控制器和方法，其中电弧状态由作为电压的函数的波形来精确控制。该精确控制的波形可以是电压、电压乘以电流的瓦特数或电压乘以电流求积分的焦耳。该短路焊接过程中电弧状态的电压函数控制可实现电源电压范围内的焊接过程和操作中焊接熔潭的精确热控制。

本发明的另一目的是提供上述的焊机、控制器和方法，该焊机、控制器和方法可以由单电源来实现，并可用于标准/或STT短路焊接。

本发明的又一目的是提供上述的焊机、控制器和方法，该焊机、控制器和方法利用了短路状态下电流控制的优点和电弧状态下电压控制的优点。

下面结合附图进行说明可以清楚理解本发明的目的和优点。

附图说明

图1是实施本发明优最佳施例时使用的波形的曲线图；

图2是类似于图1的曲线图，其中波形为电压的复变函数，即瓦特或焦耳；

图3是采用本发明电弧焊接过程的电流曲线和电压曲线的曲线图；

图4是显示本发明最佳实施例中使用的技术的方框图和逻辑图；

图4A是显示在电弧状态末的选择位置使用的电流超越控制开关的部分逻辑图；

图5是图4中方框图和逻辑图改进形式的部分逻辑图；

图6是图4所示本发明装置另一改进形式的部分逻辑图。

具体实施方式

现在参照附图，目的在于显示本发明最佳实施例，图1显示了包括短路状态10、电弧状态12、收尾(tailout)14和本底16的短路焊接过程的STT型波形A。该波形是贯穿焊接的电流分布并由在超过18Hz的频率下产生的多个电流脉冲20构成。电流脉冲宽度控制图1所示的波形的幅度或高度。短路焊接包括在电弧或等离子体状态和在焊极末端的熔融金属球接触工件时开始的短路状态之间的交变。该过程在时间30发生。金属接着通过表面张力作用而由焊极传递到工件。该作用由用于控制具有一分布的电流的压带脉冲32加速，该分布具有迅速升高电流部分32a、为形成第二斜度的断裂点32b和预警点32c。如下所述，当熔融金属的表面张力传递准备分离或断裂时，dv/dt、dr/dt或dp/dt电路进行检测。此时，由于横截面迅速减小而使电压升高。该现象预期了熔融焊极尖端与工件的断裂或分离。为降低飞溅，波形包括实际的金属分离前的电流下降部分32d。通过图1所示的压带脉冲32的形状，在STT技术中控制电流压带脉冲32。因此，在电流迅速升高以产生等离子体增加脉冲40之前有显示为时间t_d的略微延迟34。在STT技术中，该电流向着固定峰值电压迅速升高。在本发明中，控制器在短路状态中的电流控制和在电弧状态12中的电压控制之间切换电源。这引起等离子体增加脉冲40中的电流向着电压函数的峰值42升高。在该最佳实施例中，峰值42是保持恒定的峰值电压。这样的恒定电压通常产生图1所示的一般为恒定的电流。在传递期望的能量以产生熔融金属球后，电源电压沿时间常数CT等于K的时间常数曲线或收尾14转变。该曲线或收尾转变成本底电压电平16。在本发明中，在电流状态2实现的波形是具有峰值电压V_p和本底电压V_BK的波形。在本底电流末端有一在时间30的新短路，引起电压下降和将电源转变成压带脉冲32的电流控制。这样，本发明包括在短路状态10采用电流控制以及在电弧状态12采用电压控制。在每个时刻，这些控制根据预定波形以产生期望的特性。因此，电弧状态12是电压函数。在最佳实施例中，电压函数是穿过电弧的电压。如下所述，标准闭环控制在短路状态中工作以产生状态10中期望的预定尺寸预选波形。相同概念即在短路状态中的电流控制和状态12’中的电压函数控制用于图2所示的本发明第二实施例中。波形A’包括短路状态10’和电弧状态12’。闭环控制的状态12’中使用的电压函数是瓦特数。等离子体增加脉冲40’和本底16’分别是峰值瓦特W_p和本底瓦特W_BK。电压函数有时是焦耳，焦耳闭环反馈产生图1和2所示的波形。

利用调节的脉冲宽度，本发明最佳实施例中使用类型的基于逆变器的电源产生图3所示的电流和电压曲线。当熔融金属球对工件短路引起电压降低时，电流曲线100在时间102下降。电压下降到低于参考电压V_R的电平，引起电源由电压控制转变到电流控制。电流控制实现焊接循环的短路部分。将低电流保持较短时间直到时间104。接着解除电源的电流控制，使电流迅速升高以产生具有断裂点110a和预警点110b的压带脉冲110。如上所述，电源的电流控制降低由部分110c所示的电流。这样，在保持时间t_a的低电流106发生金属爆炸和分离。在此时，工作的电流模式使电压升高以产生电流脉冲120，其电流受预先设计的电压控制波形支配。电流脉冲120具有很陡的主边122，其中电压为期望电平，而电流向着上峰值电流124上升。该电流电平由在电源的电压控制中使用的设定峰值电压来产生。因此，脉冲120转变成沿倾斜曲线126的电弧状态的本底部分。脉冲120是具有由期望电压波形所支配的形状的电流脉冲，该电压波形由图3下部的电压曲线右部所示。电流控制形成脉冲110，电压控制形成脉冲120。在点152，电压控制经历短路，控制由电压变换成电流。因此，将低电流保持到时间104。电流脉冲110接着由期望的电流波形产生。该控制支配沿曲线160的电流变化。电源保持期望的压带脉冲110形状。期望的低电流的结果是电压立即沿部分160a上升。在断裂点110a，电压沿曲线160b改变直到部分160c，在部分160c电压响应预警信号而降低。这还是在电流控制模式中。短路焊极在时间170分离，引起电压升高到参考V_R以上的电平，该参考电压引起电源变换到电压控制波形电平172，作为在低电流106重新形成电弧时获得的电弧电压。该下一波形包括峰值电压174。为到达该峰值电压，有一时间Tb。时间Ta乘以时间Tb等于前面所述的具有时间Tx的延迟34。在电压波形进行处理以熔化焊极后，电压沿部分176变化到本底电压178，保持该电压等待下一次短路。实际上，每秒完成图3所示的100至300个脉冲循环。通过在循环的电弧或等离子体状态调节峰值电压和/或本底电压，使温度和/或焊接熔潭的流动性得以控制。

在实施本发明中，最佳实施例采用方框图和逻辑图4中所示的数字控制线路图，其中焊机200具有逻辑处理器，该逻辑处理器基于可编程以实现短路电弧焊接过程的控制器C。逆变器202具有电流标准整流输出电路204，用于将电流通过开关206和208导向焊极210，焊极201呈用于焊接工件214的送进焊丝的形式。电压返馈220控制电弧电压的电平返回到数字控制器C。以类似方式，分路器222控制瞬时电弧电流通过反馈线224返回到控制器C。根据标准控制技术，在控制器C中的逻辑处理器包括数字实现的脉冲宽度调制器230，调制器230包括具有通过线240表示波形控制的输出数字化误差放大器232。脉冲宽度调制器230根据线242中的反馈值使逆变器202跟随线240上的波形。根据标准实际应用，设置电流波形发生器250以在焊接循环的各部分中在焊极和工件之间提供期望的电流脉冲分布。在该发明中，脉冲调制器230只对由数字启动开关252的导电状态所确定的焊接循环的一部分时间或段使用电流波形发生器250。当启动开关时，发生器250控制线240中的逻辑以便使线242中的反馈电平跟随期望的精确电流分布。根据本发明，还提供电压波形发生器260。发生器260具有输出，通过数字启动开关将其输出给输出端240。开关252和开关262是反重合的。当一个启动开关闭合时，另一个启动开关断开。这样，根据开关252、262的导电状态，误差放大器234接收由电流波形发生器250或电压波形发生器260产生的波形。根据标准技术，由dv/dt电路表示的预警电路270在线272中产生逻辑，用于在金属转移接近断裂点时断开开关206。接着将电阻器274插入到焊接电路中以沿部分110c降低电流。为在电流模式和电压模式之间变换，数字化比较器280具有与电压反馈220相连的正输入282和由参考电压V_R控制的负输入284。比较器280的输出线290连接到电压模制数字开关292。线290上的逻辑由逆变器294变换以提供线296上的用于控制电流模式开关298的相反逻辑。在工作中，当在开始时线222上的电压降低，线290上出现逻辑0。这使开关292和开关262失活。逆变器294在线296中产生逻辑1。这激活了开关298，使得将线224中的电流反馈电平导向误差放大器234的输入端242。在同一时间，线296上的逻辑1启动数字开关252，使波形发生器250连接到误差放大器的输入端240。在该操作中，逆变器220跟随来自发生器250的波形100。在短路末端，电压向上变换到线170上，如图所示。接着，输入端282上的值超过线284上的参考电压值。在线290中产生逻辑1用于闭合电压模式开关292并启动开关262，使发生器260控制线240上的逻辑。与此同时，开关252和298失活。线220上的反馈电压信号通过开关292导向输出端242。在该方式下，逆变器202跟随电压波形发生器260的波形150。该发生器还可以是瓦特数波形发生器或焦耳波形发生器。应用所有这些叠代法以控制短路焊接过程的电弧状态。为了进行调整，变阻器300调节发生器260的波形中的峰值电压或峰值瓦特数。以类似方式，变阻器302为收尾控制时间常数，变阻器304为来自发生器260的波形控制本底电压或瓦特数。图4中公开的逻辑线路图由控制器C中的数字技术处理，可以使用各种数字技术通过跟踪期望的电压函数的波形来完成一般工作电弧状态的任务。过去，电弧状态中的波形只是电流波形的延伸，从而不能获得控制作为电压函数的电弧的优点。

在有些情况下，形成熔融球后，要求在电弧状态下转变成电流控制。采用数字开关，其逻辑处理器通过图4A所示的开关290a断开线290。两个极柱式开关通过地290c使线290b接地。这在线290b上置逻辑0以将开关变换到电流控制。该开关动作由逻辑处理器选择，由等离子体增加脉冲形成熔融金属球。

图5和6显示了对图4的方框图和逻辑图的略微改进。在图5中，电压函数是瓦特数；因此，比较器280的线282的输入是由线220上的电压反馈和线224上的电流反馈产生的。这些值由乘法器210合并以产生代表瓦特数反馈的线312中的值。将电流反馈224用于开关298的输入，如前面图4所示。通过采用由于控制器C中数字处理的图5所示略微改进，电弧状态由瓦特反馈控制，而短路状态如图4所示由电流反馈控制。在图6中，线312中的生成值由积分器320求积分，以产生线322中的焦耳反馈。将其传导到比较器280的正输入端282和开关292的输入端，使电弧状态通过作为期望焦耳的精确反映的波形而得以控制。只要通过作为电压函数精确表示的波形来控制电弧状态的脉冲部分，就可以使用图4中所示的数字处理中其它这样的变化。焊接过程的异常不会超过电源的额定电压。

Claims (22)

1、一种电弧焊机，可操作以借助由控制电弧状态的第二波形跟随的控制短路状态的第一波形完成短路过程，所述焊机包括比较器系统，以在所述短路状态终止时产生电弧信号；以及控制器，响应产生的所述电弧信号而将所述焊机从由所述第一波形的控制变换成由所述第二波形的控制，其中第一波形为电流波形，第二波形为电压波形、瓦特数波形和焦耳波形中的至少一种，第二波形具有可调节的峰值。

2、如权利要求1所述的电弧焊机，其中所述的比较器系统进一步在指示所述短路状态时产生短路信号；而所述控制器，响应产生的所述短路信号将所述焊机从由所述电压波形、瓦特数波形和焦耳波形中的至少一种的控制变换成由所述电流波形的控制。

3、如权利要求1所述的电弧焊机，其中所述控制器产生一系列频率高于18kHz的电流脉冲以便完成所述短路过程。

4、如权利要求3所述的电弧焊机，包括超越控制开关以在电弧状态强制进行电源的电流控制。

5、如权利要求1所述的电弧焊机，包括超越控制开关以在电弧状态强制进行电源的电流控制。

6、如权利要求2所述的电弧焊机，包括超越控制开关以在电弧状态强制进行电源的电流控制。

7、一种电弧焊机的控制器，可操作以完成短路过程，所述短路过程具有跟随电弧状态的短路状态，所述控制器具有在所述短路状态的电流控制模式和在所述电弧状态的第二控制模式，所述第二控制模式为电压控制模式、瓦特数控制模式和焦耳控制模式中的至少一种，第二模式具有可调节的峰值。

8、如权利要求7所述的控制器，其中所述控制器产生一系列频率高于18kHz的电流脉冲以完成所述短路过程。

9、如权利要求8所述的控制器，其中所述控制器产生所述电流脉冲以在所述短路过程中形成控制波形。

10、控制一种电弧焊机的方法，操作其以完成短路过程，该短路过程具有由电弧状态跟随的短路状态，所述方法包括：

(a)在所述短路状态的第一电流控制模式；以及

(b)在所述电弧状态的与电流控制不同的第二控制模式，所述第二控制模式为电压控制模式、瓦特数控制模式和焦耳控制模式中的至少一种，第二控制模式具有可调节的峰值。

11、如权利要求10所述的方法，进一步包括：

(c)产生一系列频率高于18kHz的电流脉冲以完成所述短路过程。

12、如权利要求11所述的方法，其中在所述短路过程中所述电流脉冲形成控制波形。

13.一种电弧焊机，可操作以完成具有短路状态和电弧状态的短路过程，从而实现了焊极和工件之间的焊接操作，该电弧焊机包括：

一比较器系统，以在所述短路状态终止时产生电弧信号；和

一控制器，具有(i)当在短路状态时为电流控制模式，其中由所述电流控制模式产生的电流波形定义了提供给焊极的第一脉冲，(ii)当在电弧状态时，电压控制模式、瓦特数控制模式和焦耳控制模式中的至少一种，其中在所述电压控制模式中产生的电压波形，在所述瓦特数控制模式中产生的瓦特波形，和在所述焦耳控制模式中产生的焦耳波形中的至少一个定义了提供给焊极的第二脉冲，其中所述的电压波形提供一可调节的峰值电压值，所述的瓦特波形提供一可调节的峰值瓦特值，所述的焦耳波形提供一可调节的峰值焦耳值。

14.如权利要求13所述的电弧焊机，其中在焊极处电流的改变依赖于所述电压波形的峰值电压值的数值。

15.如权利要求13所述的电弧焊机，其中在焊极处电流的改变依赖于所述瓦特数波形的峰值瓦特值的数值。

16.如权利要求13所述的电弧焊机，其中在焊极处电流的改变依赖于所述焦耳波形的峰值焦耳电压值的数值。

17.如权利要求13所述的电弧焊机，其中所述电压波形还包括一本底电压值。

18.如权利要求13所述的电弧焊机，其中所述瓦特数波形还包括一本底瓦特值。

19.如权利要求13所述的电弧焊机，其中所述焦耳波形还包括一本底焦耳值。

20.如权利要求13所述的电弧焊机，其中所述的比较器系统进一步可操作为，当指示短路状态时，产生一短路信号，控制器响应该短路信号的产生，将电焊机从电压波形，瓦特数波形或焦耳波形中至少一个的控制切换至电流波形的控制。

21.如权利要求13所述的电弧焊机，其中所述控制器产生一系列频率高于18kHz的电流脉冲以便完成所述的短路过程。

22.如权利要求21所述的电弧焊机，其包括一超越控制开关，以在电弧状态强制进行所述电源的电流控制。

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