在焊接操作中控制熱量輸入的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001] 優(yōu)先權：本申請要求美國臨時專利申請No. 61/723, 522和美國專利申請 13/797, 108的優(yōu)先權，所述美國臨時專利申請No. 61/723, 522和美國專利申請13/797, 108 的全部內(nèi)容通過引用被并入本文。
技術領域
[0002] 本發(fā)明涉及用于焊接的系統(tǒng)和方法。更具體地，本主題的發(fā)明涉及控制焊接時的 熱量輸入的系統(tǒng)和方法。再更具體地，本發(fā)明涉及焊接電源供應器、電弧焊接系統(tǒng)以及控制 電弧焊接系統(tǒng)的方法。
【背景技術】
[0003] 當進行電弧焊接時，控制焊接期間的熱量輸入是合乎期望的。焊接電弧產(chǎn)生非常 高的量的熱量，該熱量可以顯著地增加焊接區(qū)周圍的工件的溫度。在焊接區(qū)之外，這種溫度 上的增加可能是不利的，因為它可以不利地影響工件的材料性能以及引起扭曲等等。對于 控制工件的溫度的努力包括將外部冷卻施加到工件或者改變焊接工藝。然而，這些方法可 能是復雜的并且提供有限的結果。
[0004] 通過將常規(guī)的、傳統(tǒng)的以及已提出的手段與如在本申請的其余部分中參照附圖所 闡述的本發(fā)明的實施方案相比，對本領域技術人員來說這樣的手段的進一步的局限性和缺 點將會變得明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的實施方案包括用于電弧焊接的系統(tǒng)和方法，其中期望的熱量輸入通過調(diào) 整焊接波形的電極負部分的各種參數(shù)以及焊接工藝的其他方面被保持。在一些示例性實施 方案中，只有焊接波形的電極負部分被調(diào)整來得到波形平衡，所述波形平衡保持期望的電 弧長度和/或電壓，而同時最小化到焊縫中的熱量輸入并且保持電弧穩(wěn)定。
[0006] 在示例性實施方案中，系統(tǒng)包括電弧焊接電源供應器，所述電弧焊接電源供應器 被配置來將焊接波形輸出到焊炬。所述焊接電源供應器包括產(chǎn)生輸出焊接波形的波形發(fā)生 器。所述電源供應器還包括控制器，所述控制器基于期望的RMS電壓設定點和期望的RMS 電壓范圍中的一個來最優(yōu)化所述輸出焊接波形。所述最優(yōu)化通過調(diào)整功率比和持續(xù)時間比 中的至少一個被執(zhí)行。所述功率比是所述焊接波形的負部分的功率與所述焊接波形的正部 分的功率的比，并且所述持續(xù)時間比是所述焊接波形的負部分的持續(xù)時間與所述焊接波形 的正部分的持續(xù)時間的比。
[0007] 在另一個示例性實施方案中，控制電弧焊接系統(tǒng)的方法包括提供焊炬、產(chǎn)生焊接 波形以及將所述焊接波形傳輸?shù)剿龊妇?。所述方法進一步包括基于期望的RMS電壓設定 點和期望的RMS電壓范圍中的一個來最優(yōu)化所述焊接波形。所述最優(yōu)化通過調(diào)整功率比和 持續(xù)時間比中的至少一個被執(zhí)行。所述功率比是所述焊接波形的負部分的功率與所述焊接 波形的正部分的功率的比，并且所述持續(xù)時間比是所述焊接波形的負部分的持續(xù)時間與所 述焊接波形的正部分的持續(xù)時間的比。
[0008] 從如下的說明書、權利要求書和附圖，所要求保護的本發(fā)明的這些和其他特點以 及圖示說明的本發(fā)明的實施方案的細節(jié)被描述并且將會被更加完整地理解。
[0009] 附圖簡要說明
[0010] 通過參照附圖詳細描述本發(fā)明的示例性實施方案，本發(fā)明的上述和/或其他方面 將會更加明顯，在所述附圖中：
[0011] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案的焊接系統(tǒng)的圖示表征；
[0012] 圖2是用于本發(fā)明的實施方案的焊接波形的圖示表征；
[0013] 圖3是用于本發(fā)明的實施方案的另一個焊接波形的圖示表征；
[0014] 圖4是用于本發(fā)明的實施方案的進一步的焊接波形的圖示表征；以及
[0015] 圖5A和圖5B是可以用于本發(fā)明的實施方案的控制方法的繪圖表征。
[0016] 詳細描沐
[0017] 現(xiàn)在將在下面通過參照所附的附圖描述本發(fā)明的示例性實施方案。所描述的示例 性實施方案意圖幫助理解本發(fā)明，而不意圖以任何方式限制本發(fā)明的范圍。相似的參考編 號在通篇中涉及相似的要素。
[0018] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案的焊接系統(tǒng)100的圖示說明性實施方案。焊 接系統(tǒng)包括焊接電源供應器110,所述焊接電源供應器Iio通過焊條（elect r〇de)E將焊接 波形遞送到焊炬130和工件W以產(chǎn)生焊接電弧A。焊條E經(jīng)由焊絲送進器150遞送以進行 焊接操作。焊絲送進器150可以是這樣的任何已知的構造，即它能夠將焊條E遞送到焊縫， 并且，在一些實施方案中，焊絲送進器150可以基于來自電源供應器110的信號來調(diào)整焊條 E的焊絲送進速度一一這將在下面被更詳細地討論。
[0019] 電源供應器110的一般構造可以類似于能夠進行GMAW/MIG型焊接操作的已知的 電源供應器的一般構造，只要電源供應器110能夠如本文所描述的運行和操作。例如，電 源供應器110可以被構造為類似于由俄亥俄州克利夫蘭市的林肯電氣公司制造的Power Wave?型電源供應器的一般構造。當然，本發(fā)明的實施方案不限于這樣的構造，并且這僅意 圖是示例性的。
[0020] 如圖1所示，電源供應器110能夠通過L1、L2和L3接收輸入信號。圖1描繪三相 輸入，但其他實施方案可以僅利用單相輸入。電源供應器110包括功率轉換單元112,所述 功率轉換單元112能夠接收輸入信號并且將一信號輸出到輸出相（例如輸出逆變器114)， 以使電源供應器110的輸出能夠維持焊接電弧。功率轉換單元112可以由許多不同的部件 構成。例如，它可以由整流電路和升降壓電路構成，所述升降壓電路接收被整流的信號并且 將恒定電壓輸出到輸出逆變器114。當然，在其他示例性實施方案中，輸出逆變器114可以 是斬波器，或者能夠與功率轉換單元112 -起工作來輸出焊接信號的任何其他類型的輸出 電路。電源供應器110還包括波形發(fā)生器116,所述波形發(fā)生器116是這樣的電路，所述電 路幫助控制功率轉換單元112和輸出逆變器114中的至少一個或二者的輸出來提供期望的 焊接波形以被用來產(chǎn)生電弧A。例如，波形發(fā)生器116,其與功率轉換電路112和輸出逆變 器114(或者無論何種輸出部件被利用）中的一個或二者耦合，可以被用來產(chǎn)生期望的電流 波形，所述期望的電流波形在焊接期間被用來創(chuàng)建并且保持電弧A。此外，電源供應器具有 控制器118,所述控制器118可以是能夠控制電源供應器110的功能和操作的任何類型的 CPU或處理器型裝置。這樣的控制器一般地是已知的。在示例性實施方案中，控制器接收 來自電流反饋電路120和電壓反饋電路122的反饋，所述電流反饋電路120和電壓反饋電 路122在焊接操作期間（分別）提供來自焊接電弧A的電流和電壓反饋。利用該反饋，控 制器118能夠調(diào)整并且最優(yōu)化電源供應器110的性能以提供期望的輸出。這將在下面被進 一步討論。
[0021] 如圖1所示，在一些實施方案中，控制器118還被耦合到焊絲送進器150，所述焊絲 送進器150在焊接操作期間允許控制器接收來自焊絲送進器150的反饋以及控制焊絲送進 器150的操作，例如焊絲送進速度。這也在下面被討論。
[0022] 圖2描繪可以用于本發(fā)明的實施方案的示例性電流波形200。一般而言，所描繪的 波形200是通用的脈沖波形，所述脈沖波形意圖是可以在焊接操作（特別是GMAW/MIG型操 作）中使用的許多不同類型的焊接電流波形中具有代表性的，并且本發(fā)明的實施方案不限 于使用如圖2或本文討論的任何附圖所描繪的電流波形。如所示出的，波形200在每個循 環(huán)（cycle)C中具有電極正（EP)部分210和電極負（EN)部分208二者。波形200的EP部 分210在波形中是這樣的時間，其中焊條E具有正極性（電流從焊條E流到工件W中），而 在EN部分208期間，焊條E具有負極性，以使電流從工件W流到焊條E中。
[0023] 每個EP部分210包括脈沖202,所述脈沖202具有峰值電流201以及在峰值201 后面的本底電流水平203,其中本底電流水平小于峰值201電流水平。在本底部分203和 接下來的下一循環(huán)C的峰值201之間的是EN部分208。在示例性實施方案中，EN部分208 包括EN斜坡上升（ramp-up)部分205、EN峰值部分207和EN斜坡下降（ramp down)部分 209。EN部分208具有總持續(xù)時間tEN和峰值持續(xù)時間t PEAKEN。
[0024] 因為波形200的EP和EN部分中的每個具有電流和電壓分量（電壓未被不出），每 個部分210和208提供功率。因此，每個循環(huán)C具有負的功率比（等于EN功率/EP功率）， 其中EN功率是由EN部分208輸入的總功率，并且EP功率是由EP部分210輸入的總功率 量。
[0025] 在焊接期間，循環(huán)C的EN部分208相比EP部分210提供較少的到焊接熔池中的 熱量輸入。然而，EN部分208在焊接期間比EP部分210提供對推進的焊條E的更有效的 熔化。本發(fā)明的各種實施方案采用循環(huán)C的各自的部分的這些屬性來控制和最優(yōu)化到焊縫 中的熱量輸入，而同時保持穩(wěn)定的電弧長度。這將在下面被