CN1380842A - 控制电弧焊过程的方法及采用该方法的焊机 - Google Patents

控制电弧焊过程的方法及采用该方法的焊机 Download PDF

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Abstract

一种产生在具有焊接电压和焊接电流的电弧焊接过程中使用的实时控制信号的方法,所述方法包括:在第一时刻测量焊接电压和焊接电流,瞬时改变焊接电压或焊接电流约小于10%,然后在改变后的第二时刻测量该焊接电压和该焊接电流,确定第一时刻和第二时刻之间的焊接电压差,确定第一时刻和第二时刻之间的焊接电流差,通过将第一时刻和第二时刻之间的焊接电压差除以第一和第二时刻之间的焊接电流差来产生表示理想控制信号的导数值,以及通过该导数值产生控制信号。

Description

控制电弧焊过程的方法及采用该方法的焊机
技术领域
本发明涉及电弧焊技术，特别涉及一种采用唯一控制参数控制电弧焊过程的方法以及具有用于形成和使用该唯一参数的控制器的焊机。
背景技术
电弧焊是一种包括许多影响焊接质量的过程控制变量的复杂电气现象，包括是否采用喷射过渡、脉冲过渡、DC GMAW焊接或AC焊接。在恒电压焊接过程中，焊接过程通常由焊接电流Ia控制。当电压保持恒定时，CTWD的变化引起电流变化以及其它过程变化；因此，采用该过程的伏特/安培特性曲线的控制调节受到内在限制。由于电流随CTWD减小而增大并随CTWD增大而减小，因此接触端对工件的距离CTWD对电流有很大影响。试图根据电极伸出或CTWD调整DC GMAW焊接过程是很困难的，因为难于实时确定这些参数。至今不能测量可提供基本不受电弧电流影响的控制信号的焊接过程参数。甚至更重要的是，没有可以产生控制信号以直接实时调整电弧长的参数。已经知道保持电极下部和工件之间距离为固定值会获得优良的并可再现的焊接质量。
发明内容
本发明通过测量参数解决了控制电弧焊过程中的已有问题，以产生表示电弧阻抗但不依赖于焊接电流的唯一控制信号。因此，通过采用本发明产生的控制信号不受与基于焊接电流的控制相关的大量变量的影响。根据本发明，测量焊接电压对焊接电流的导数以提供用作在焊接过程中保持焊接条件如电弧长的控制信号的参数值。焊接电压对焊接电流的导数是一构成的唯一控制参数，与仅通过电压除以电流而获得的负载阻抗明显不同。在电弧焊中尚没有构成和/或使用该唯一参数以产生信号来控制焊接过程。
本发明主要涉及表示焊接过程特性的参数，该焊接过程可产生实时控制信号以保持选定距离间隔的电弧长。与电弧长结合的送进电极伸出(ESO)等于接触端至工件的尺寸CTWD。
焊接过程的电弧电压Varc包括等于常数A加上常数B乘以电弧长Larc的分量。第一常数A是阴极的功函加阳极和阴极电压降。对于铁材料，已知阳极和阴极电压降大约为4.15伏。本发明优选实施例是焊接钢的过程；但是，可以采用本发明焊接其它金属如铝。这样，阳极降和阴极降是常数，等于8.3伏。功函是阴极现象，通常约为3.7。因此，提供电弧电压的公式的第一常数A是在通用范围12.0内，即8.3+3.7。乘以电弧长Larc的第二常数B与焊接过程中使用的保护气体有关。对于含有由85％氩和15％二氧化碳组成的气体，该常数是18.7。因此，Varc根据第一常数(12.0)加上第二常数(18.7)乘以数厘米的电弧长Larc。电弧电压Varc的其他分量是焊接电流Ia乘以电弧阻抗Rarc。求和，Varc＝BLarc+IaRarc。因此，如果Varc已知，采用合适的算法来确定电弧长。这样，电弧长可以被保持。于是，使用本发明提出的表示电弧阻抗的信号或值就可以由于可以保持电弧长。由于可以检测焊接电流Ia，因此仅电弧阻抗Rarc是未知的。本发明提供表示电弧阻抗的信号。
通过使用本发明，一个单一参数，即电压对电流的导数(dV/dI)，用作表示电弧阻抗的控制信号用以保持电弧长。该导数函数与电弧本身的阻抗有关。实际上，它与跨越CTWD的总阻抗RESO+Rarc有关。由于RESO值相对较低，本发明的dV/dI信号主要是电弧焊过程中的电弧阻抗的代表。本发明的信号不等于仅用实时的焊接电压除以焊接电流而获得的负载阻抗。本发明涉及检测电压对电流的导数的概念以提供忽略电流的阻抗函数。该参数用于确定跨越电弧的电压以及保持电弧长。
根据本发明，提供一种产生在具有过程焊接电压和过程焊接电流的电弧焊过程中使用的实时控制信号的方法。该方法包括确定焊接电压对焊接电流的导数以产生控制信号。由于该控制信号涉及将电流除电压，因此它指的是阻抗。这样，新控制信号随电弧阻抗的大小而变化，并用作电弧电压的直接相关数。假(pseudo)阻抗(“增量阻抗”)是控制信号并构成作为本发明基本概念的唯一参数。该控制信号乘以实际焊接电流以获得一值，该值与电弧长值相加以获得表示跨越电弧的电压的信号电平。已知控制函数以下述形式存在以维持电弧长(C)，其中第一要素(a)是第一常数(约为8-20，对于金属铁是12)、和第二常数(约为10-35，对于90％氩、10％CO2为18.5)乘以电弧长Larc之和，第二要素(b)是电弧电压减去焊接电流乘以电弧阻抗，控制函数则为第一要素(a)与第二要素(b)之比。本发明通过生成表示电弧阻抗或随电弧阻抗改变的控制信号而执行该控制函数。这些用于保持电弧长的控制系统由本发明实现并是本发明的部分，其中产生新控制信号作为焊接过程中总电压对焊接过程中总电流的导数。
根据本发明的另一方面，通过焊接电流的小高频振动(dither)获得构成本发明首要特征的导数。高频振动模式应用于焊接电流以确定焊接电流的“增量阻抗”Rz。在高频振动之前，检测电压和电流。高频振动模式接着使电流增大并等待时间延迟。该延迟去除由感抗引起的失真。再次测量和记录电压和电流。通过减去电压读数并减去电流读数，将电压差除以电流差以获得电压对电流的导数。通过使用电压和电流之间的关系式导数，使用高分辨率电路，因为电流差很小，获得的导数值是在通用范围0.005-0.075欧姆内。电压差也很小，在0.15至2.0伏的通用范围内。因此，为了检测而使用高分辨率。但是，由于增量阻抗值是一个导数测量结果，因此对绝对精度要求不高。这样，就要求分变率，但是对数据值的精度要求不高。由于大的电流高频振动值也会影响电弧长，高频振动限于小百分比焊接电流以避免影响电弧长。实际上，电流的高频振动约低于焊接过程中使用的电流的10％，通常约低于5％。尽管可以通过仅增大电流以在增大电流之前和之后测量电压和电流来获得导数，在本发明的优选实施例中，在第二电压和电流测量之前增大电流。此后，电流降低到焊接电流以下以进行第三测量。接着该测量，电流增回到焊接电流以进行第四测量。结果，有四个电压和电流读数以便为电流高频振动模式提供三个独立的差值。第二差值大体基于由高频振动模式引起的第一或最后电流差值更大的电流变化。通过获得三组差值，将其相除以求得导数，然后通过将导数和除以3而对其进行平均，获得实际导数值或控制信号更好的表示。
获得增量阻抗(Rz)的优选方案4采用焊机的电源控制系统以扰动电流波形。以上述方式测量导致的电压和电流数据以获得dV/dI。另外，电源本身对电压波形扰动。测量导致的电压和电流数据以获得dV/dI。在另一实施例中，电源用于扰动关于电流和电压的信号，如在PWM控制的焊机中对脉冲宽度的输入。接着测量导致的电压和电流数据。还有另一实施例采用外部电路如高功率信号发生器以在电流或电压中注入扰动。测量导致的电压和电流数据以获得dV/dI。本发明的另一实施例用外部电路对电源输出进行扰动，如该外部电路为用于从电弧分流一部分电流的大功率晶体管。测量导致的电压和电流数据以获得dV/dI。尽管优选实施例包括电流或电压的突然增大和减小以获得本发明中使用的差值，可以用正弦波或其它任意波形进行高频振动，因为扰动的定时对于产生导数信号dV/dI并不严格。在每次测量之前有一时间延迟，使得感抗不会在测量结果中引入误差。在电流稳定后检测电压差。已经发现用于稳定的时间在50-100微秒的通用范围内。这是最低限度的延迟，较长延迟是不合适的。
在收集本发明高频振动模式的多组数据中，电流转变成正的然后变成负的。这有助于平衡由高频振动引起的小的瞬间电弧长变化。相等的正负转换平衡了电源输出，使得熔化速度不受电流的高频振动影响。在高频振动模式中的第二电流转变通常是第一电流转换的两倍。这使获得的数据值加倍以提供更高的分辨率。通过采用三个连续的导数，产生更一致的控制信号。实际上，电压和电流测量是约每10微秒进行一次。这样不改变大部分波形的定时控制波形。为了估计电极伸出和电弧长而选取dV/dI数据。
如上所述，许多控制机构可用于干扰电源的输出并测量必要数据以获得dV/dI。多数高速焊接电源是基于开关式电源，如buck转换器或DC-DC转换器。除非采用特殊电路以避免瞬时杂波，否则转换杂波使焊接电流和电压的精确测量难于进行。当使用高速开关电源时为实现dV/dI的测量的优选方法是采用快速嵌插入控制算法，它是特别设计的用以控制干扰并与电源开关同步地测量必要数据的。在要求dV/dI测量的时间，主焊接电源系统对插入算法进行控制。插入算法以所述顺序对电流分级并在开关电源内的功率半导体器件时的精确时刻测量该数据。一旦获得数据，将控制传回到主焊接控制系统。插入控制系统的执行是由数字信号处理器、可编程的门阵列(array)或微处理器进行的。当然，还有用于实施本发明的获得电流高频振动和数据收集的其它方案。
为获得作为实时函数的控制信号dV/dI，在不同时刻干扰和测量电流或电压以获得导数值。通过采用一个以上的干扰步骤来获得较好分辨率和高抗噪声。产生dV/dI值以提供控制信号，该控制信号是干扰后的几个dV/dI测量值的平均值。该过程可以用于使用电弧的焊接过程，如喷射过渡、脉冲过渡、短路过渡(在循环的等离子体段中)、DC和AC金属焊等。这些焊接过程的每个都具有穿过电弧并经处理而产生高频振动的电流，以产生用于保持焊接过程的预选电弧长或其它参数的增量阻抗或电阻Rz。
本发明的首要目的是提供一种用于产生电弧焊过程中要使用的控制信号的方法和系统该控制信号是电压对电流的导数。该控制信号用于获得焊接过程反馈回路控制的其它参数，以首先保持预选的电弧长。
本发明的另一目的是提供一种方法和系统，如上所述，该方法和系统可以用于精确获得用于保持电弧长或其它参数的控制函数。
本发明的另一目的是提供一种方法和系统，如上所述，该方法和系统精确测量电弧焊接过程中的各种参数。在已有控制中不容易获得这些参数。
下面结合附图进行说明可以使这些和其它目的及优点更明显。
附图说明
图1是显示一定标准关系的电弧焊操作的侧视图；
图2是实施本发明优选实施例的线路和方块图的结合；
图3是通过图2所示的本发明最佳实施例实现的电流扰动的电流电压图；
图4是在处理通过图2和图3中所示的本发明优选实施例获得的电压和电流数据中使用的软件程序流程图；
图5至图9是一系列显示在各种类型焊接过程中实现本发明的电流和电压图；
图10是获得由本发明产生的基本控制信号dV/dI的另一种方法的方程序块图；
图11是显示用于获得在实施本发明中使用的基本控制信号Rz另一
实施例的方块图；
图11A是显示通过图11所示的实施例维持的高频振动部分的图形；
图12是采用没有操作者干预的发明信号Rz维持电弧长的软件系统方块图；
图13是采用有操作者干预的发明信号Rz获得电弧长的软件系统方块图；
图14是通过经验修正来简化图12所示系统的软件系统方块图。
具体实施形式
现在参照只为图示说明本发明优选实施例而不是为了对其限制的附图，图1显示电弧焊接过程10，其中接触端12具有开口14，通过该开口14向着铁工件WP喂送钢电极E。本优选实施例中的焊接金属是钢；但是采用本发明可焊接其它金属如铝。在电极端部和工件之间是电弧C。实际上，电能由接触端12引导而穿过电极E，以便产生电弧C来熔化电极端部并由喷射、短路或溶滴过渡产生金属过渡。在焊接过程中，接触端12和工件WP之间的距离是CTWD，它是电极伸出部ESO和电弧长Larc的系统。焊接电压Va分成横跨电极的电压VESO和横跨电弧C的电压Varc。这些参数在电弧焊技术中是标准参数，在说明本发明中要用到这些参数。在焊接过程中，通过采用图1所示的焊接电流Ia产生的热I2R来加热电极。沿长度ESO的加热是均匀的。电极的加热与由电弧C引起的热IV极为不同。电弧热通常是由电极E端部熔化的金属的总热量的75-80％。熔化发生在电极端部，图中所示的该端部具有隔绝层20，该隔绝层将电极E和电弧C产生的热量隔开。众所周知，当温度升高时，电阻率提高；但是电极E其余部分的电阻率保持恒定。热传导率和比热也随着温度升高而升高。这样隔绝层20将电弧和电极隔离开，它是很薄的一层，当喂送电极E时这里的热量极度升高以熔化金属。焊接电压Va受到恒定值A的影响，A与阴极或工件W的功函P和均约为4.15伏的正常阳极或阴极电压有关。实际上，当焊接钢时，恒定值A约为12。将恒定值A加上与保护气体类型有关的恒定值B以电弧长Larc相乘的积。该关系(A+BLarc)与焊接电流和电弧阻抗Rarc的乘积相加以获得表示电弧电压的的值。电弧电压是焊接电压Va和VESO，VESO是焊接电流和伸出部阻抗RESO之积。由于RESO小，Varc基本上为Va。由于这些数学关系，可以通过监控Va、Ia和电弧阻抗来维持电弧长。本发明用于形成和产生通常表示电弧阻抗的值。在实施根据本发明形成的参数或唯一控制信号中使用数学关系(Varc＝A+BLarc+IaRarc)。该控制信号是构成的导数参数dV/dI，该参数指的是增量阻抗Rz。增量电阻或增量阻抗Rz与电弧电阻Rarc和小的电阻RESO之和有关；但是它不是通过焊接电压除以焊接电流而确定的负载电阻。不能直接测量电压Varc。但是，可以测量电压Va，电压Va等于Varc与电流Ia乘以RESO之和。Va＝Varc+IaRESO。因此，通过代数替换，Va＝A+BLarc+Ia[Rarc+RESO]。
为了提供新信号dV/dI而使用几个软件电路，该信号实际上是数字数值。根据本发明优选实施例，采用图2所示的软件电路产生图3所示的电流扰动。在该实施例中，焊机30产生穿过电极E和工件WP的焊接电压Va。实际上，施加该电弧电压穿过端部12和工件WP，如图1所示。为了产生该电压，则具有连接穿过电极E和工件WP的输出端42、44的电源40提供焊接电流Ia。电源的输入是连接三相输入线52的整流器50。电源是具有由脉冲宽度调制器60输出线62中的信号决定的焊接电流波形的高频转换逆变器。调制器包括具有由具有输出72a和输入72b、72c的误差放大器72的方向的波形电路70控制的电压电平或信号的输出线64。输入72b是指令电流信号Ic。输入72c是在焊接操作中穿过电极E并流入工件的焊接电流Ia。为了测量瞬时或实时焊接电压，根据标准实验操作有一个具有并不矛盾连到引线42、44的输入线82、84的传感器80。以类似方式，传感器90通过引线94、96检测来自分流器92的焊接电流Ia。如上所述，焊机30根据标准焊接实验进行操作并可用于喷射焊接，短路焊接、熔滴焊接、DC焊接或AC焊接。本发明是新控制信号的开发，该控制信号是焊接电压Va对焊接电流Ia的导数。图3显示了焊接电流和得到的焊接电压。为了获得导数信号，根据本发明的优选实施例，图2中给出了优选系统。强制电流高频振动模式100产生伴随电压模式100a。模式100包括将焊接电流Ia从在时刻T1对应于电压电平110a的控制电平110升高到对应电压电平112a的新电平112。该电流Ia的新电平小于电流110的10％，最好小于上述电流110之5％。通过确定在时刻T1之前的点1(如划线110b所示)的电压Va和电流Ia和在时刻T2之前的点2(如划线112b所示)的电压和电流由该高频振动获得导数信号dV/dI的值。将这两个电压和电流相减，再以电压差除以电流差。经过时刻T1和线112b之间所示为100百万分之一秒的时间延迟后执行在点2的电平112的测量。这使得在读取点1和点2之间的电压和电流之前消耗由感抗产生的电压。在时刻T2，焊接电流降低到电平114，该电平通常低于电平110的值，其与在时刻T1升高的电流大小一样。低电平114对应于电压114a，如图3所示。刚好在T3时刻之前，在点3进行电压和电流的第三次测量，如划线114b所示。此后，电流升高到相应于原始电平110的电平116。经过一时间延迟后，在点4进行第四次测量，再经过大约100微秒延迟。通过测量点1和点2之间的微分、点2和点3之间的微分以及点3和点4之间的微分，获得相同控制信号的三个分离的读数。记录这三个读数，将其相加并除以3以获得相应于dV/dI的最终导数参数或信号。该新参数或信号是采用本发明获得的唯一控制信号。经过任意时间后，为了获得随后的参数或信号dV/dI的读数而执行另一高频振动模式100。周期性并实时重复模式100以产生用于控制焊接过程的导数值或信号。
现在再次参照图2中的方程序块图，当由线122上的电压信号启动时，通过产生该模式的信号发生器120由基本脉冲宽度调制器60产生模式100。该信号作为第二输入通过线124输入给脉冲宽度调制器60。每个时刻启动信号发生器120，通过脉冲宽度调制器执行高频振动模式100。为了启动信号发生器，提供一驱动累计计数器132的振荡器130以周期性启一个动发射(shot)电路134。对该振荡器和计数器编程，使得模式100周期性地每隔几秒重复。这样，产生线122中的信号(10微秒)以在电流Ia下重复高频振动模式100。在点1、2、3和4，在线150中产生信号，使程序块152读取焊接电压Va，而焊接电流Ia可由程序块154读取。然后将这两个值相除以获得导数，如程序块160所示。如程序块162所示存储每个导数测量，以便如程序块164所示对这些导数进行平均以提供控制信号Rz。在模式100，读取三个读数。存储这三个读数，然后对其平均以产生导数信号dV/dI，它是如图2所示的控制信号Rz。该信号通常与一个dV/dI计算的信号相同。
在图4中显示了用于对几个控制信号或增量阻抗Rz平均的软件程序，用于处理由图2中所示的系统产生的数据，以便生成图3所示的高频振动模式100。在该程序中，微处理器或其它控制器读取点1的焊接电压和焊接电流，如程序块200所示。如程序块202所示存储该数据。然后，如程序块204所示，读取点2的焊接电压和电流，接着如程序块206所示将其存储。以类似方式，如程序块208所示，在点3读取电压和电流，并如程序块210所示，将其存储。如程序块212所示，在点4读取最终高频振动的电压和电流的读数，然后如程序块214所示将其存储。接着程序算法执行在220中给出的函数，此处计算相应于第一导数dV/dI的数字。该数字或值，如果模拟，则是唯一控制信号。然后，重复两次该导数计算。如程序块220所示，将这些导数计算的值(数字或模拟)相加，所有这些值应该本质上是相同的。接着，如程序块222所示，将合计值除以3以获得线224中的平均值dV/dI或Rz。这是用于控制焊机30或任何其它焊机的控制信号，它是三个事先测量的控制信号的平均值。由于在本发明优选实施例中采用高频振动模式100，平均处理需要测定三个控制信号Rz。当然，可以将任何数量的控制信号相加然后进行平均。
在焊接循环中采用自耗电极和电弧的所有焊接方法中可以获得唯一控制信号。在该过程中，有电极伸出部和电弧用于熔化电极端部以在工件上沉积熔融金属。在高频振动模式100中较小的电流变化是在电极熔化没有变化的短时间内。实时控制信号Rz的一般应用如图5至9所示。例如，在具有如图5所示的电压和电流的喷射焊接过程中，在焊接电流中周期性地生高频振动模式230。该模式在焊接电压中产生相应的高频振动模式230a。然后可以提供电压对电流的导数以产生控制信号或增量阻抗Rz。以类似方式，在脉冲焊接过程中，有本底电流和峰值或脉冲电流，如图6所示。这产生下图中所示的相似电压曲线。在本底电流中，没有电极对工件的实际过渡；但是，产生了高频振动模式240和相应高频振动模式240a。获得的高频振动模式可生成导数值或信号dV/dI。更重要的是峰值电流的脉冲期间，产生在电压中相应于高频振动模式242a的高频振动模式242。获得峰值电流的正增量阻抗值Rz。这可以用于保持电弧长。现在参照图7，显示了短路焊接电流和电压。在循环的电弧或等离子体部分中，在焊接电流中产生高频振动模式250。这给出了电压中对应的高频振动模式250a。由于没有电弧，因此在焊接循环的短路252不进行测量。由俄亥俄州克利弗兰市林肯电子公司开发的STT焊接循环也可以在本底电流和等离子体增强时使用本发明。在这些时候，电流保持恒定。但是，在STT的短路部分期间，电流不能高频振动，这是因为其不保持恒定。可以看到，本发明可以应用在采用电弧的所有类型的焊接循环中，其中电流保持恒定并能高频振动。在图8中对其进行进一步显示，它是恒定电流或恒定电压的焊接循环，其中电流高频振动模式260产生相应电压高频振动模式260a。恒定电流曲线与图5中所示的喷射焊接的曲线类似。在AC焊接操作中，电流通常保持恒定，但如图9所示，其极性相反。在正极性期间，在电流中产生高频振动模式270导致电压中相应的高频振动模式270a。在负极性期间，在电流中产生高频振动模式272导致电压中的高频振动模式272a。给出了如图5至9所示的几个普通焊接过程的电流和电压以说明唯一控制信号或增量阻抗Rz的一般应用。当然，在循环的一部分中具有恒定电流的其它电弧焊接过程可以采用本发明，其中电极是自耗的并具有电弧C上的阻抗，该阻抗同电极阻相比得上通常很高。
在实施本发明时，获得电压和电流的导数作为控制信号。可以使用几个系统以获得导数值。图2显示了一个系统，而图10和11给出了另一个求得该导数的系统。在图10中，电源40包括跨接到输出引线42、44上的函数发生器400。该函数发生器产生并联于电源输出的电流高频振动，对该函数发生器定时以产生为产生几个特定测量点所需要的特定高频振动。振荡器402激励计数器404。在线406上计数器的输出表示当如程序块401所示分别读取并储存来自传感器80、90的电压和电流值时的情况。接着如图4所示通过程序块222将这些值平均以产生在线224上的控制信号Rz。在类似方式下，如图11所示，计数器420由振荡器420a激励以在控制开关450的栅极激励424的线422上产生一系列信号。通过电阻器452其周期性地将部分电弧电流Ia从电弧中分流。该高频振动模式只具有两种电流电平。在图11A中显示为在图11右面的放大曲线。当开关450导通，电流由过程焊接电流减小至较低电平460。在点1和点2由程序块410读取电压和电流。这是控制信号dV/dI。可以连续产生几个这样的信号并将其平均，如程序块470所示，以便产生线472中的控制信号Rz。可以应用其它电路以从数字上确定控制信号dV/dI，指的是增量阻抗Rz。该信号与电弧中的阻抗有关。
可以采用各种系统和软件结构来获得控制信号Rz。可以用其它各种参数来控制该控制信号以便获得执行焊接过程的控制或指令信号。在焊接技术中导数控制信号的实时发生是唯一的并为多个目的而使用，在本申请中表明的其中一些是作为说明获得用于焊接过程的dV/dI中的显著优点。不能穷举出如上所述的唯一控制信号的应用。本领域技术人员知道唯一控制信号的其它应用。本发明用于采用数学上形成的结构的控制系统或通过经验修改而简化的系统。
图12给出了当前使用的控制系统，其中本发明保持恒定的电弧长。通过获得控制信号Rz或dV/dI的数值可以实现电弧长Larc的控制。焊接电压Va等于电极电压VESO加上电弧电压Varc，电弧电压等于以下三项的总和：(a)第一常数A(8-20)、(b)第二常数B(10-35)乘以电弧长Larc以及(c)焊接电流Ia乘以阻抗Rarc。通过保持电弧长为常数，电弧阻抗不改变，在电弧长控制系统中阻抗[RESO+Rarc]的总和仍为常数，这是因为电弧长保持在设定值。如上所述，电弧电压Va等于VESO+Varc。Varc等于A+BLarc+IaRarc。因此，Va＝A+BLarc+IaRarc+VESO或Va＝A+BLarc+Ia[Rarc+RESO]。确实，dV/dI通常直接随[Rarc+RESO]变化。因此，Va随dV/dI改变。因此为了控制起见，Va等于A+BLarc+IadV/dI。该关系式是用于通过采用本发明的系统500保持电弧长的控制关系式，如图12所示。焊接电流Ia用滤波器502滤波，并在乘法程序块502与本发明的控制信号dV/dI相乘。这产生确认为IadV/dI的信号电平。在求和点508，将由滤波器506滤波后的反馈焊接电压Va减去为数字形式的该信号电平。在求和点或误差放大器510将电平Va-IadV/dI与随实际电弧长Larc变化的电平或数值比较。该电弧长控制的电平是A+BLarc，其中在程序块520将实际Larc乘以第二常数B(8-20)并在程序块522与第一常数A(10-35)相加。在线530中的误差信号或电平控制标准脉冲宽度调制器540以保持电弧长Larc。系统500是现在实际使用的控制系统，以便应用新控制信号Rz或dV/dI保持恒定的电弧长。
在图12中的控制系统500会保持作为电极E与工件WP之间间隔的电弧长恒定。这是本发明的主要用途。但是，当金属丝喂送速度WFS提高时，电流Ia必须增大以保持该间隔。较高的电流引起电弧更深地渗透到工件上的熔池内。这样，电弧长比保持的间隔要长，并且迫使电极补偿更大的伸出部。为了补偿这样的偏差，可使控制器获得增益K1，如图13所示。除乘法块包括一调节增益K1的控制器外，系统500’与系统500相同。增益K1在0.0和2.0之间变化。一般，控制器设定增益K1为0.2至0.3。对于恒定电压焊接过程，增益通常为0.0。当完全调整电弧长时，增益处于高电平，即1.0至2.0。实际上，该增益大约为0.3。
通过图14中的软件控制系统600提供了图12和13中所示实施系统500和500’中简化的一个。可以简化由图12所示的程序块502和504和图13所示的502’和504’所提供的控制函数K1IadV/dI，以避免采用焊接电流Ia。可以从经验发现IadV/dI等于K3dV/dI+K4。根据经验导出常数K3和K4。系统600保持数值与系统500中的分量相同的电弧长分量。元件502和504由程序块602乘以K3和dV/dI代替，由程序块604加上K4代替。保持电弧长。实际上，供丝速度是线610设置电弧长。线610上的WFS值访问表620以根据经验获得特定的供丝速度的常数K3和K4。软件系统采用新信号dV/dI来控制电弧长。可以理解，为了保持恒定电弧长，能够通过数学计算和经验开发出使用新的控制信号dV/dI的其它变型和控制系统。

Claims (39)

1、一种产生用于具有焊接电压和焊接电流的电弧焊过程的实时控制信号的方法，其特征在于，所述方法包括：在第一时刻测量电弧电压和电弧电流，瞬时改变所述电弧电压或电弧电流大约不超过10％，然后在所述改变后的第二时刻测量所述焊接电压和所述焊接电流，确定所述第一时刻和所述第二时刻之间的焊接电压差，确定所述第一时刻和所述第二时刻之间的焊接电流差，通过将所述第一和第二时刻之间的所述焊接电压差除以所述第一和第二时刻之间的所述焊接电流差来产生表示所述控制信号的导数值，以及通过所述导数值产生所述控制信号。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：依次产生若干数量所述导数值并通过对所述导数值平均而产生所述控制信号。
3、如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述改变是改变所述焊接电流。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述改变是改变所述焊接电流。
5、如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述若干数量为至少3个。
6、如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述若干数量为至少3个。
7、如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述若干数量可以3除。
8、如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述若干数量可以3除。
9、一种用于电弧焊机中产生实时控制信号的系统，该焊机具有用于产生接触端和工件之间的焊接电压以及穿过由所述端延伸的所述电极和穿过电弧的焊接电流的电源，检测焊接电压的传感器；检测焊接电流的传感器以及控制所述焊接电压`和/或所述焊接电流的控制器，其特征在于，所述系统包括：在第一时刻并接着在第二时刻记录焊接电压和焊接电流的数字装置，测量在第一时刻和第二时刻所述焊接电压和所述焊接电流之差的数字装置，以及用于测量焊接电压差除以焊接电流差的值以便产生所述控制信号的求导电路。
10、一种用于具有焊接电压和焊接电流的电弧焊过程产生实时控制信号的方法，其特征在于，所述方法包括：在第一时刻测量过程焊接电压和过程焊接电流，将焊接电流提高到过程焊接电流以上，在第一时刻延迟后的第二时刻再测量焊接电压和焊接电流，接着将焊接电流降低到低于过程焊接电流，在第二时刻延迟后的第三时刻测量焊接电压和焊接电流，然后将所述焊接电流提高到接近所述过程焊接电流，在第三时刻延迟后的第四时刻测量所述焊接电压和所述焊接电流，确定所述第二时刻和第三时刻之间的所述焊接电压和所述焊接电流之差，并将所述电压差除以所述电流差以产生所述控制信号。
11、如权利要求10所述的方法，其特征在于：每个所述时间延迟大于约50微秒。
12、如权利要求10所述的方法，其特征在于：确定所述第一和第二时刻之间的所述电弧电压和所述电弧电流之差，确定所述第三和第四时刻之间的所述电弧电压和电弧电流之差，将所述电弧电压差除以所述电弧电流差，将所述三个商相加并将所得值除以3以产生所述控制信号。
13、如权利要求12所述的方法，其特征在于：每个所述时间延迟大于约50微秒。
14、如权利要求13所述的方法，其特征在于：将所述控制信号乘以过程焊接电流以获得电极伸出电压的信号样本，采用所述样本信号作为闭环反馈以控制所述焊接过程的电极伸出。
15、如权利要求12所述的方法，其特征在于：将所述控制信号乘以过程焊接电流以获得电极伸出电压的信号样本，采用所述样本信号作为闭合回路反馈以控制所述焊接过程的电极伸出。
16、如权利要求11所述的方法，其特征在于：将所述控制信号乘以过程焊接电流以获得电极伸出电压的信号样本，采用所述样本信号作为闭环反馈以控制所述焊接过程的电极伸出。
17、如权利要求10所述的方法，其特征在于：将所述控制信号乘以过程焊接电流以获得电极伸出电压的信号样本，采用所述样本信号作为闭环反馈以控制所述焊接过程的电极伸出。
18、一种如权利要求13所述的方法，其特征在于：将所述控制信号乘以过程电弧电流以获得电极伸出电压的第一值样本，从该过程电弧电压中减去所述样本伸出电压信号以获得跨越焊接过程电弧的电压的第二值样本，从所述第二值减去第一已知常数以便获得第三值，然后将所述第三值除以第二已知常数以获得电弧长的信号样本，以及采用所述样本信号作为闭合回路反馈以控制所述焊接过程的电弧长。
19、如权利要求18所述的方法，其特征在于：所述第一已知常数大约为8-20。
20、如权利要求18所述的方法，其特征在于：所述第二已知常数的范围为10-35。
21、如权利要求12所述的方法，其特征在于：将所述控制信号乘以过程电弧电流以获得电极伸出电压的第一值样本，从该过程电弧电压中减去所述样本伸出电压信号以获得跨越焊接过程电弧的电压的第二值样本，从所述第二值减去第一已知常数以获得第三值，然后将所述第三值除以第二已知常数以获得电弧长的信号样本，以及采用所述样本信号作为闭合回路反馈以控制所述焊接过程的电弧长。
22、如权利要求21所述的方法，其特征在于：所述第一已知常数约为8-20。
23、如权利要求21所述的方法，其特征在于：所述第二已知常数的范围为10-35。
24、如权利要求11所述的方法，其特征在于：将所述控制信号乘以过程电弧电流以获得电极伸出电压的第一值样本，从该过程电弧电压中减去所述样本伸出电压信号以获得跨越焊接过程电弧的电压的第二值样本，从所述第二值减去第一已知常数以获得第三值，然后将所述第三值除以第二已知常数以获得电弧长的信号样本，以及采用所述样本信号作为闭合回路反馈以控制所述焊接过程的电弧长。
25、如权利要求24所述的方法，其特征在于：所述第一已知常数约为8-20。
26、如权利要求24所述的方法，其特征在于：所述第二已知常数的范围为10-35。
27、如权利要求10所述的方法，其特征在于：将所述控制信号乘以过程电弧电流以获得电极伸出电压的第一值样本，从该过程电弧电压中减去所述样本伸出电压信号以获得跨越焊接过程电弧的电压的第二值样本，从所述第二值减去第一已知常数以获得第三值，然后将所述第三值除以第二已知常数以获得电弧长的信号样本，以及采用所述样本信号作为闭合回路反馈以控制所述焊接过程的电弧长。
28、如权利要求27所述的方法，其特征在于：所述第一已知常数约为8-20。
29、如权利要求27所述的方法，其特征在于：所述第二已知常数的范围为10-35。
30、一种用于具有过程焊接电压和过程焊接电流的电弧焊过程产生实时控制信号的方法，其特征在于，所述方法包括：检测所述焊接电压对焊接电流的导数以产生所述控制信号。
31、如权利要求30所述的方法，其特征在于：将所述控制信号乘以过程焊接电流以获得电极伸出电压的信号样本，并采用所述样本信号作为闭合回路反馈以控制所述焊接过程的电极伸出。
32、如权利要求30所述的方法，其特征在于：将所述控制信号乘以过程焊接电流以获得电极伸出电压的第一值样本，从该过程焊接电压中减去所述样本伸出电压信号以获得跨度越焊接过程电弧的电压的第二值样本，从所述第二值减去第一已知常数以获得第三值，然后将所述第三值除以第二已知常数以获得电弧长的信号样本，以及采用所述样本信号作为闭合回路反馈以控制所述焊接过程的电弧长。
33、如权利要求32所述的方法，其特征在于：所述第一已知常数约为8-20。
34、如权利要求32所述的方法，其特征在于：所述第二已知常数的范围为10-35。
35、如权利要求30所述的方法，其特征在于：将所述控制信号乘以关于电弧阻抗的常数以获得信号电平，从表示实时焊接电压的信号减去所述信号电平并将该差值信号与表示电弧长乘以第二常数并加上第一常数的电弧长信号相比，以产生反馈信号，从而保持电弧长接近恒定。
36、如权利要求35所述的方法，其特征在于：所述第一已知常数约为8-20。
37、如权利要求35所述的方法，其特征在于：所述第二已知常数的范围为10-35。
38、一种用于完成电弧焊接过程的电弧焊机，该焊机具有保持预选确定电流波形的控制器的用于产生焊接电流和焊接电压的电源，其特征在于：所述焊机包括一电路，用于在第一时刻将所述焊接电流提高到所述确定电流以上小于所述确定电流10％的电平，接着在第二时刻将所述焊接电流至少降低到大约所述确定电流；多个传感器，用于在所述第一时刻和所述第二时刻检测所述焊接电压和焊接电流；用于减去所述两个电压以获得一值的电路和用于将所得值除以所述两电流差，从而产生在控制所述焊接过程已选参数中所使用的信号。
39、如权利要求38所述的焊机，其特征在于：所述选择的参数是电弧长。
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