CN104768693A - 在焊接操作中具有热量输入控制的电弧焊接电源供应器以及控制电弧焊接***的方法 - Google Patents

在焊接操作中具有热量输入控制的电弧焊接电源供应器以及控制电弧焊接***的方法 Download PDF

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Abstract

在焊接操作中控制热量输入的***(100)和方法被提供。所述***(100)包括电弧焊接电源供应器(110)，所述电弧焊接电源供应器(110)被配置来将焊接波形输出到焊炬(130)。所述焊接电源供应器(110)包括产生输出焊接波形(200)的波形发生器(116)。所述电源供应器(110)还包括控制器(118)，所述控制器(118)基于期望的焊接温度来最优化所述输出焊接波形。所述最优化通过调整功率比和持续时间比中的至少一个被执行。所述功率比是所述焊接波形的负部分的功率与所述焊接波形的正部分的功率的比，并且所述持续时间比是所述焊接波形的负部分的持续时间与所述焊接波形的正部分的持续时间的比。所述期望的焊接温度是温度设定点和温度范围中的一个。

Description

在焊接操作中具有热量输入控制的电弧焊接电源供应器以及控制电弧焊接***的方法
优先权：本申请要求美国临时专利申请No.61/723,758和美国专利申请13/792,665的优先权，所述美国临时专利申请No.61/723,758和美国专利申请13/792,665的全部内容通过引用被并入本文。
技术领域
本发明涉及用于焊接的***和方法。更具体地，本主题的发明涉及控制焊接时的热量输入的***和方法。再更具体地，本发明涉及电弧焊接电源供应器、电弧焊接***以及控制电弧焊接***的方法。
背景技术
当进行电弧焊接时，控制焊接期间的热量输入是合乎期望的。焊接电弧产生非常高的量的热量，该热量可以显著地增加焊接区周围的工件的温度。在焊接区之外，这种温度上的增加可能是不利的，因为它可以不利地影响工件的材料性能以及引起扭曲等等。对于控制工件的温度的努力包括将外部冷却施加到工件或者改变焊接工艺。然而，这些方法可能是复杂的并且提供有限的结果。
通过将常规的、传统的以及已提出的手段与如在本申请的其余部分中参照附图所阐述的本发明的实施方案相比，对本领域技术人员来说这样的手段的进一步的局限性和缺点将会变得明显。
发明内容
本发明的实施方案包括用于电弧焊接的***和方法，其中期望的热量输入通过调整焊接波形的电极负部分的各种参数以及焊接工艺的其他方面被保持。在一些示例性实施方案中，只有焊接波形的电极负部分被调整来得到波形平衡，所述波形平衡保持期望的电弧长度和/或电压，而同时最小化到焊缝中的热量输入并且保持电弧稳定。
在示例性实施方案中，***包括电弧焊接电源供应器，所述电弧焊接电源供应器被配置来将焊接波形输出到焊炬。所述焊接电源供应器包括产生焊接波形的波形发生器。所述电源供应器还包括控制器，所述控制器基于期望的焊接温度和检测到的焊接温度之间的比较来控制所述焊接波形。最优化通过调整功率比和持续时间比中的至少一个被执行。所述功率比是所述焊接波形的负部分的功率与所述焊接波形的正部分的功率的比，并且所述持续时间比是所述焊接波形的负部分的持续时间与所述焊接波形的正部分的持续时间的比。所述期望的焊接温度是温度设定点和温度范围中的一个。
在另一个示例性实施方案中，控制电弧焊接***的方法包括提供焊炬、产生焊接波形以及将所述焊接波形传输到所述焊炬。所述方法还包括基于期望的焊接温度和检测到的焊接温度之间的比较来控制所述焊接波形。最优化通过调整功率比和持续时间比中的至少一个被执行。所述功率比是所述焊接波形的负部分的功率与所述焊接波形的正部分的功率的比，并且所述持续时间比是所述焊接波形的负部分的持续时间与所述焊接波形的正部分的持续时间的比。所述期望的焊接温度是温度设定点和温度范围中的一个。
所要求保护的本发明的这些和其他特点以及图示说明的本发明的实施方案的细节将会在如下的说明书、权利要求书和附图中被更加完整地公开并且将会从如下的说明书、权利要求书和附图被更加完整地理解。
附图简要说明
通过参照附图详细描述本发明的示例性实施方案，本发明的上述和/或其他方面将会更加明显，在所述附图中：
图1是根据本发明的示例性实施方案的焊接***的图示表征；
图2是用于本发明的实施方案的焊接波形的图示表征；
图3是用于本发明的实施方案的另一个焊接波形的图示表征；
图4A和图4B是可以与本发明的实施方案一起使用的各种控制方法的绘图表征；以及
图5是本发明的另一个示例性实施方案的图示表征。
详细描述
现在将在下面通过参照所附的附图描述本发明的示例性实施方案。所描述的示例性实施方案意图帮助理解本发明，而不意图以任何方式限制本发明的范围。相似的参考编号在通篇中涉及相似的要素。
图1是根据本发明的示例性实施方案的焊接***100的图示说明性实施方案。焊接***包括焊接电源供应器110，所述焊接电源供应器110通过焊条(electrode)E将焊接波形递送到焊炬130和工件W以产生焊接电弧A。焊条E经由焊丝送进器150递送以进行焊接操作。焊丝送进器150可以是这样的任何已知的构造，即它能够将焊条E递送到焊缝，并且，在一些实施方案中，焊丝送进器150可以基于来自电源供应器110的信号来调整焊条E的焊丝送进速度——这将在下面被更详细地讨论。
***100还包括移动装置160，所述移动装置160能够移动工件W或导电嘴(contacttip)130或二者。这样的移动装置一般地是已知的并且可以包括机器人、焊接***单元等。在本发明的示例性实施方案中，移动装置能够根据在焊接操作期间接收到的命令来调整或改变焊接操作的行进速度。如图1所示，命令来自电源供应器110中的控制器118。然而，在其他示例性实施方案中，在电源供应器110外部的单独的***控制器可以被使用，所述单独的***控制器控制***100中的部件(包括电源供应器110、焊丝送进器150和移动装置160)的操作。
电源供应器110的一般构造可以类似于能够进行GMAW/MIG型焊接操作的已知的电源供应器的一般构造，只要电源供应器110能够如本文所描述的运行和操作。例如，电源供应器110可以被构造为类似于由俄亥俄州克利夫兰市的林肯电气公司制造的Power型电源供应器的一般构造。当然，本发明的实施方案不限于这样的构造，并且这仅意图是示例性的。
如图1所示，电源供应器110能够通过L1、L2和L3接收输入信号。图1描绘三相输入，但其他实施方案可以仅利用单相输入。电源供应器110包括功率转换单元112，所述功率转换单元112能够接收输入信号并且将一信号输出到输出相(例如输出逆变器114)，以使电源供应器110的输出能够维持焊接电弧。功率转换单元112可以由许多不同的部件构成。例如，它可以由整流电路和升降压电路构成，所述升降压电路接收被整流的信号并且将恒定电压输出到输出逆变器114。当然，在其他示例性实施方案中，输出逆变器114可以是斩波器，或者能够与功率转换单元112一起工作来输出焊接信号的任何其他类型的输出电路。电源供应器110还包括波形发生器116，所述波形发生器116是这样的电路，所述电路帮助控制功率转换单元112和输出逆变器114中的至少一个或二者的输出来提供期望的焊接波形以被用来产生电弧A。例如，波形发生器116，其与功率转换电路112和输出逆变器114(或者无论何种输出部件被利用)中的一个或二者耦合，可以被用来产生期望的电流波形，所述期望的电流波形在焊接期间被用来创建并且保持电弧A。此外，电源供应器具有控制器118，所述控制器118可以是能够控制电源供应器110的功能和操作的任何类型的CPU或处理器型装置。这样的控制器一般地是已知的。在示例性实施方案中，控制器接收来自电流反馈电路120和电压反馈电路122的反馈，所述电流反馈电路120和电压反馈电路122在焊接操作期间(分别)提供来自焊接电弧A的电流和电压反馈。利用该反馈，控制器118能够调整并且最优化电源供应器110的性能以提供期望的输出。这将在下面被进一步讨论。
如图1所示，在一些实施方案中，控制器118还被耦合到焊丝送进器150，所述焊丝送进器150在焊接操作期间允许控制器接收来自焊丝送进器150的反馈以及控制焊丝送进器150的操作，例如焊丝送进速度。这也在下面被讨论。
图1所示的实施方案还利用热传感器170，所述热传感器170监测焊接熔池和/或焊接熔池附近的工件W的温度。传感器170可以是任何类型的传感器，所述传感器能够准确地确定所感测的区域的温度并且将感测到的温度报告给控制器118以使该温度信息可以被利用。应该注意的是，一个传感器170在图1中被示出，但其他实施方案可以使用多于一个传感器。例如，多个传感器可以被用来监测焊接熔池、邻近焊接熔池的工件W和/或工件的下侧的温度，其中所述下侧是在焊接期间与焊炬130相对的侧。
在焊接操作期间，焊接熔池和/或工件的温度可以在很大程度上变化。例如，在焊接工艺的开始，工件具有类似于室温的温度是可能的。因此，焊缝处的工件是相对冷的，这可能需要更多的电弧能量来提供期望的熔池和/或熔深。在启动并且焊接一段时间之后，工件W将开始显著地受热升温(heat up)，特别地在相对长的焊道中。如果焊接操作未被改变，这种加热可以使焊接参数变化并且随后导致具有降低质量的焊缝。例如，如果允许温度不受抑制地增加，工件可能变形或者焊道周围的热影响区可能太大。因此，控制热量输入是合乎期望的。
本发明的实施方案通过控制焊接操作参数中的至少一个来控制到焊缝中的热量输入，以确保合适的热量输入和焊缝质量。
图2描绘可以用于本发明的实施方案的示例性电流波形200。一般而言，所描绘的波形200是通用的脉冲波形，所述脉冲波形意图是可以在焊接操作(特别是GMAW/MIG型操作)中使用的许多不同类型的焊接电流波形中具有代表性的，并且本发明的实施方案不限于使用如图2或本文讨论的任何附图所描绘的电流波形。如所示出的，波形200在每个循环(cycle)C中具有电极正(EP)部分210和电极负(EN)部分208二者。波形200的EP部分210在波形中是这样的时间，其中焊条E具有正极性(电流从焊条E流到工件W中)，而在EN部分208期间，焊条E具有负极性，以使电流从工件W流到焊条E中。
每个EP部分210包括脉冲202，所述脉冲202具有峰值电流201以及在峰值201后面的本底电流水平203，其中本底电流水平小于峰值201电流水平。在本底部分203和接下来的下一循环C的峰值201之间的是EN部分208。在示例性实施方案中，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具有总持续时间tEN和峰值持续时间tPEAKEN。
因为波形200的EP和EN部分中的每个具有电流和电压分量(电压未被示出)，每个部分210和208提供功率。因此，每个循环C具有负的功率比(等于EN功率/EP功率)，其中EN功率是由EN部分208输入的总功率，并且EP功率是由EP部分210输入的总功率量。
在焊接期间，循环C的EN部分208相比EP部分210提供较少的到焊接熔池中的热量输入。然而，EN部分208在焊接期间比EP部分210提供对推进的焊条E的更有效的熔化。本发明的各种实施方案采用循环C的各自的部分的这些属性来控制和最优化到焊缝中的热量输入。这将在下面被详细地讨论。
如图2所示，并且如上面所讨论的，本发明的实施方案采用波形200的循环C中的EN部分208。该循环C的EN部分208一般地比EP部分210更冷却，但可以比EP部分210更有效地“返烧(burn back)”焊条E。如此一来，EN部分208可以被用来帮助调节工件温度。应该注意的是，本发明的实施方案可以在AC型波形或者如本文所描述的断续地使用AC的一般的DC波形二者中使用。
如早前所陈述的，在焊接操作的开始，工件可以是相对冷的，并且使工件迅速达到最佳的焊接温度可以是合乎期望的。当焊接时，工件的温度可以持续受热上升以致温度变得太高，因此需要更冷却的焊接操作。本发明的实施方案通过使用工件温度数据和/或控制到焊缝中的热量输入的其他参数来提供这种热量输入控制。例如，在本发明的示例性实施方案中，***100在焊接操作的初始阶段期间利用具有第一负功率比的波形200，并且在初始阶段之后，波形200被改变为具有第二负功率比，所述第二负功率比大于初始阶段的负功率比。初始阶段使用低于第二阶段的负功率比，以使更高的热量输入将会比正常的波形更迅速地将工件带到期望的温度，但一旦工件达到期望的温度，电源供应器将负功率比调整到更高的比，所述更高的比降低到焊缝中的热量输入来将工件的温度稳定在可接受的温度。在示例性实施方案中，焊接波形200的从初始阶段到第二阶段的转变可以基于感测到的温度数据发生，或者可以是基于针对焊接操作的预先确定的持续时间的终止的。进一步地，在本发明的示例性实施方案中，电源供应器110利用焊接波形200的第三阶段，其中负功率比被调整来处理焊接操作期间工件温度中的波动。例如，如果工件温度变得太高，第三阶段具有更高的负功率比来提供到焊缝中的较少的热量输入。这将连同控制热量输入并保持期望的焊缝性能的其他参数的使用一起在下面来说明。
在示例性实施方案中，在焊接之前，使用者将各种焊接参数输入到针对焊接操作所需要的电源供应器110/控制器118中。这些输入可以包括电流、电压、焊丝送进速度、消耗品类型、工件材料、工件厚度、行进速度、熔敷率、最大工件温度、临界相变温度、预加热温度、到焊接区的距离等。基于该信息，初始负功率比被选择，并且第二负功率比被选择来在初始阶段之后被使用，初始阶段之后的阶段具有高于初始负功率比(其可以是在1/10至2/5的范围内)的负功率比。在一些示例性实施方案中，第二负功率是初始负功率比的4倍。在一些实施方案中，初始负功率比被用于设定持续时间，在该设定持续时间之后，电源供应器110将波形200切换到第二负功率比。该持续时间是预先确定的，并且在一些示例性实施方案中可以是在200ms至5s的范围内，或者是建立稳定熔池的足够的时间。当然，其他持续时间可以被使用。在其他示例性实施方案中，电源供应器110预先确定针对初始阶段的波形200的循环C的数量n，并且随后在数量n终止(expiration)时(例如，其中n是在10至200的范围内)，电源供应器110从初始阶段切换到第二阶段。在本发明的其他示例性实施方案中，电源供应器110使用输入信息来确定初始负功率比并且在焊接操作期间使用温度数据来调整负功率比以获得期望的焊接温度。就是说，当确定工件W正在受热升温时，负功率比被调整来提供更冷却的焊接操作以使期望的或目标温度被保持。因此，在这样的实施方案中，目标温度或温度范围被确定，控制器118调整负功率比来达到并保持期望的温度/温度范围。
在图1所示的实施方案中，至少一个温度传感器170被用来监测焊接温度并且控制器118使用该信息来调整波形200的负功率比。例如，传感器170将温度反馈提供到控制器118，并且当检测到的温度达到期望的阈值时，控制器200调整波形200的负功率比来保持并维持期望的温度。就是说，当检测到的温度变得太高时，负功率比增加(以冷却焊接工艺)，并且当温度变得太低时，本功率比减小(以将热量加到焊接工艺)。
在其他示例性实施方案中，多于一个传感器170可以被使用，或者传感器170可以监测工件上的其他区域的温度。本发明的实施方面在这方面不受限制。
进一步地，在其他示例性实施方案中，不是使用传感器，控制器118(或其他CPU装置)可以使用状态表、算法等来计算到焊缝中的热量输入并且通过自身或与传感器170一起使用这些计算来如本文所描述的调整波形200的负功率比。
进一步地，在其他示例性实施方案中，***100可以控制斜坡率，用于将工件从其开始温度加热到期望的焊接温度。在一些焊接应用中，确保工件W没有被太迅速地加热是合乎期望的。在这样的实施方案中，针对温度增加的期望的斜坡率被确定或者被输入到控制器118中，并且控制器118控制波形200的负功率比来保持期望的斜坡率，直到用于焊接的期望的温度已经被达到。
如上面所说明的，本发明的实施方案使用温度反馈和/或温度计算信息来调整波形200的EN部分208，以使波形200的负功率比改变以在焊接期间调整到焊缝中的温度输入。例如，如果确定焊缝的温度太高(当工件受热升温时)，电源供应器110提供具有增加的负功率比的波形200，以使来自电弧的热量输入是较低的。就是说，通过相对于EP功率增加输出到电弧A的EN功率的量，焊条E可以在电弧A处于更冷却的温度的同时继续被消耗。注意的是，在EN功率期间，焊条E可以以更快的或更有效的速率返烧，并且因此在一些示例性实施方案中，焊条W的焊丝送进速度也可以在波形200的该部分期间由焊丝送进器150来调整。这将在下面进一步来讨论。相反地，当检测到工件W的温度太低时(例如在初始阶段期间，或者当在焊接期间工件在温度上变得太低时)，本发明的实施方案通过减小EN功率来减小负功率比。这导致波形200中的更多的EP功率，这一般地是更热的过程。进一步地，因为在波形的EP部分210期间焊条E消耗少于在EN部分208中的焊条E消耗，控制器可以导致焊丝送进器在波形200的该阶段期间减慢焊条E的焊丝送进速率。
在本发明的示例性实施方案中，并未作出对波形200的EP部分210或波形的频率的改变。因此，本发明的实施方案仅使用对波形200的EN部分208的改变来保持或改变温度。这允许精确温度控制而没有根本上改变波形200，特别是它的频率。在其他示例性实施方案中，负功率比被改变而未对波形的正脉冲202作出任何改变。就是说正脉冲202的峰值201、持续时间和斜坡率保持不变，但对EP部分210的本底部分203的持续时间可以作出改变。在这样的实施方案中，可能必需调整焊丝送进速度来确保在电弧长度上没有改变或者有最小程度的改变。
本发明的实施方案可以利用对EN部分208的各种方面的调整来获得期望的温度或温度变化率。例如，对EN部分的改变可以包括对EN部分208的前(lead)电流斜坡率205、峰值207(通过对量值或tPEAKEN的改变)、后(trail)电流斜坡率209和/或持续时间tEN的改变。就是说，电源供应器110可以调整EN部分208的这些参数中的任何一个、任何组合或所有，以改变负功率比来驱使工件的温度到设定点温度。
如上面所说明的，在本发明的实施方案中，在焊接操作的初始阶段期间，第一负功率比可以被用来驱使温度到期望的值，并且本发明的实施方案可以在第一阶段期间使用固定的第一负功率比，其中固定的比被电源供应器110/控制器118确定。然而，在其他示例性实施方案中，在第一阶段期间温度的增加率被监测，并且负功率比被调整来确保期望的温度增加率被获得。这将防止工件W的温度太迅速或太缓慢地增加。例如，使工件W尽可能迅速地达到焊接温度或者以其他方式防止工件W太迅速地加热可以是合乎期望的。
本发明的实施方案可以使用各种反馈或控制方法来控制波形200的负功率比。例如，电源供应器110可以(在被设计有更新率的***内)持续地监测工件温度，并且偏差一被检测到就调整负功率比。在本发明的示例性实施方案中，针对温度的更新率是在1KHz至10KHz的范围内。当然，其他更新率可以被使用而不脱离本发明的范围或精神。其他实施方案可以使用不同的反馈方法。例如，电源供应器110/控制器118可以监测经过波形200的N个循环C或经过一段时间的工件的温度，并且比较所确定的或测量的温度与温度设定点的值，以确定是否应该对负功率比作出改变。当然，其他控制方法可以被使用而不脱离本发明的精神或范围。
在另一个示例性实施方案中，电源供应器110/控制器118(基于所使用的***的更新或采样率)监测和/或计算瞬时温度，以确定是否与设定点的偏差被检测到，但并不改变波形200直到多个连续的(sequential)偏差被检测到。这样的实施方案基于对异常现象的检测来避免改变波形200，所述异常现象在持续时间上是短的并且在短时间内自我修正。例如，在示例性实施方案中，***将检测到的/计算的温度与设定点相比较，并且如果偏差被检测到，控制器118启动计数器，所述计数器对在第一个偏差后面的连续的偏差的数量进行计数。当检测到的连续的偏差的数量超过期望的量时，负功率比如本文所描述的被改变。例如，检测到的连续的偏差的数量可以是在5至20的范围内。在一些实施方案中，如果检测到的/计算的温度在达到连续的偏差的预先确定的数量之前回到设定点，则将不在波形200上作出改变，并且计数器将被重置为零。
在其他示例性实施方案中，针对实际的温度的检测/计算的更新率在偏差被检测到时改变。例如，在焊接期间，第一更新率被使用，而当偏差被检测到时，更新率改变为更快速的更新率，以监测温度并且提供负功率比调整。
注意的是，在本发明的其他示例性实施方案中，负功率比可以在电源供应器110调整其输出电流以保持期望的温度的同时保持恒定。在这样的实施方案中，不是改变负功率比，电源供应器110改变负持续时间比，其中负持续时间比为tEN/tEP。在这样的实施方案中，电源供应器110调整EN部分208的持续时间tEN，以使波形具有EN状态达较长的持续时间，但在负功率比上没有改变。在这样的实施方案中，即使EN部分208的峰值电流207被降低，增加的EN部分208的持续时间将会导致利用波形200的更冷却的部分达较长的持续时间。在这样的实施方案中，可能必需至少改变焊条E的焊丝送进速度来保持期望的电弧长度。
如上面所讨论的，本发明的实施方案可以在焊接工艺的开始时使用第一负功率比，并且随后在焊接期间切换到更高的负功率比，所述更高的负功率比比第一比更冷却。然而，即使利用这种更冷却的第二负功率比，工件W将受热升温太多是可能的，因此需要在焊接期间进一步冷却。因此，在本发明的实施方案中，波形200的第三阶段可以被不时地使用，以提供更进一步的冷却，其中第三阶段利用高于第二阶段的负功率比或负持续时间比。
这在图3中被一般地描绘，其中波形200被这样调整，以使负功率比和负持续时间比中的一个或两个已经被增加来使波形200更冷却。例如，如图3所示，波形200已经被这样改变，以使负部分208的持续时间tEN已经相对于循环C的总长度被增加。这将导致每个循环C具有更长持续时间的更冷却的焊接时间。在一些示例性实施方案中，所提供的总负功率在该负部分208期间没有增加，因为负电流的峰值水平207被降低，如果峰值水平207保持与第二阶段相同的话，这会比第二阶段更冷却。在本发明的一些示例性实施方案中，第三阶段的持续时间tEN是在这样的范围内，所述范围比第二阶段期间的持续时间tEN长10％至45％。当然，其他的差值可以被使用而不脱离本发明的精神或范围。第三冷却阶段可以更改波形200的负部分208的属性中的任何一个或所有，以使期望的冷却被获得。
在本发明的示例性实施方案中，波形200的第三或“冷却下降(cool down)”阶段EN部分208的参数可以由电源供应器110/控制器118基于输入信息在焊接之前被预先确定。就是说，基于输入信息，EN部分208的持续时间、峰值水平和斜坡率可以被预先确定，以使当检测到冷却下降过程必须被实施时，电源供应器110使用针对EN部分208的预先确定的冷却下降轮廓。然而，在其他示例性实施方案中，在波形200的冷却下降阶段期间，EN部分208的参数基于检测到的温度被选择。例如，电源供应器110/控制器118基于所确定的该温度与设定点温度之间的差值来确定对EN部分208的改变。这可以使用算法型控制、状态表等来完成。例如，如果测量的差值是在设定点的第一范围之内，则仅EN部分208的持续时间被改变，其中持续时间上的改变依据检测到的差值(例如，持续时间随着与设定点的差值成比例地增加或减小)，然而如果该差值是在所述第一范围之外，控制器118/电源供应器110增加EN部分208的持续时间并且降低EN部分的峰值电流207，以提供较少的负部分208的总功率。同样，该改变可以与检测到的与期望的设定点的差值成比例。这样的实施方案允许电源供应器110和/或控制器118不断地更改波形的EN部分来控制到焊接工艺中的总热量输入。在本发明的示例性实施方案中，上面所讨论的第一范围是在设定点的4％至20％之内。就是说，第一范围的外边界是在设定点的4％至20％之内。当然，其他范围可以被利用。如果设定点实际上是操作范围，上面的百分比要被认为是从该操作范围的各自的端点，例如，范围上限的4％至20％之内以及范围下限的4％至20％之内。
应该注意的是，尽管上面和下面的讨论通常涉及温度“设定点”，一些实施方案可以使用温度范围作为操作设定点，其中只要温度是在操作范围之内，则不对波形200或操作作出改变。温度可以是设定点或范围。例如操作温度可以是50℃，在其他示例性实施方案中，范围可以是在150至260℃的范围内。应该注意的是，为避免混淆，为清楚起见，本文的讨论指的是“设定点”，但这些讨论同等适用于使用操作范围作为“设定点”。
注意的是，在一些示例性实施方案中，波形200被这样控制，以使正脉冲202在波形的EN部分208结束之后直接开始(参见图2)。然而，在其他实施方案中可以不是这种情况。例如，如上面所描述的，实施方案可以提早结束EN部分208，以达到/保持期望的温度。在这样的实施方案中，电流可以在开始下一脉冲之前回到正本底203，以使波形频率被保持。
各种控制的方法或控制方法可以被用来执行描述的实施方案。例如，控制器118可以利用状态表、查找表或算法型控制方法来执行本发明的实施方案。这样的实施方案将利用检测到的和/或确定的温度和温度设定点(或范围)并且使用该信息来确定哪一波形阶段要被使用或者确定对波形200的EN部分208的改变的量和类型，以保持期望的温度。注意的是，本发明的实施方案可以基于测量的/确定的温度和设定点之间的偏差来改变EN部分的不同方面(例如，峰值电流斜坡率、持续时间)。因此，在一些实施方案中，当检测到的不同是大的时，可以对EN部分208作出更激进的改变。
在本发明的进一步的示例性实施方案中，电源供应器110和/或控制器118可以利用对焊接操作的其他方面的改变来达到或保持期望的温度。例如，在一些实施方案中，控制器118除了改变波形200的EN部分之外，可以控制动作装置160来改变焊接操作的行进速度，以获得期望的温度。在这样的实施方案中，当温度增加时，控制器118还可以导致行进速度增加，以帮助达到或保持期望的温度。可替换地，如果温度太低，控制器118可以导致行进速度减慢，以帮助保持期望的温度。
在一些示例性实施方案中，温度和设定点之间的偏差的量值可以确定行进速度以何种程度被利用，以帮助保持或回到设定点。图4A可以被利用来帮助这种讨论。
如图4A所示，电源供应器可以具有温度设定点Temp。(应该注意的是，如上面所讨论的，操作范围可以被用于Temp，然而，出于该图的目的，设定点被使用)。如所示出的，在一些实施方案中，第一操作范围θ围绕Temp被建立。尽管图4A将第一操作范围θ描绘为中心在Temp上，在所有的实施方案中不需要是这种情况。第一操作范围θ具有这样的温度范围，以使如果温度是在第一操作范围θ之内，第一温度改变协议被用来保持针对操作的期望的温度，而如果温度是在第一操作范围θ之外，则第二温度改变协议被用来保持期望的温度。例如，如果所确定的温度是在第一操作范围θ之内，则电源供应器110/控制器118使用仅对波形200的调整(如上面所描述的)来保持期望的温度，而如果温度是在第一操作范围θ之外，控制器118执行对波形200和对行进速度的改变，以回到期望的温度。当然，其他参数可以依据温度是在第一操作范围θ之内还是之外被调整。例如，当在第一操作范围θ之内时，电源供应器110可以调整EN部分208的一个参数(例如，斜坡率、峰值、持续时间)，而当在第一操作范围θ之外时，电源供应器110将调整至少两个参数(例如，斜坡率、持续时间、峰值电流)，所述至少两个参数可以包括第一参数。各种实施方案可以使用本文所讨论的参数中的任何的不同组合来调整负功率比、负持续时间比和/或行进速度，以将温度调整到设定点。
图4B表征具有第一操作范围θ和第二操作范围α的本发明的另一个实施方案，其中，所述第一操作范围θ如上面所讨论的被使用，所述第二操作范围α类似于上面所讨论的被使用。就是说，在第一操作范围θ期间，第一参数或第一组参数被用来控制温度，而在第二操作范围α中，第二参数或第二组参数被用来控制温度，并且当在第二操作范围之外时，第三参数或第三组参数被用来控制温度。作为参考，可以使用的参数包括负功率比，负持续时间比，EN部分的电流斜坡率(一个或多个)、峰值电流和持续时间，行进速度，以及EP部分的电流斜坡率、峰值电流和持续时间，以及焊丝送进速度。
应该注意的是，由于在负和正期间焊条E的“返烧”率方面的差值，可能必需在不同波形阶段期间调整焊条E的焊丝行进速度来针对负功率比和/或行进速度上的改变进行调整，以确保完成到焊缝的足够的填充物递送。在波形200的EN部分208期间，焊条E可以被更有效地消耗，并且如此一来，当负功率比增加时，可能需要增加焊丝送进速度。可以利用控制器118和焊丝送进器150作出这样的改变。
图5是本发明的另一个示例性实施方案，其中***100为使用者提供能够在焊接期间发起冷却的第三波形阶段。这样的实施方案可以与半自动化的焊接***和操作一起使用。具体地，在所示出的实施方案中，焊炬130包括开关131，所述开关131可以在焊接时被使用者激活。注意的是，在该实施方案中，焊炬130可以是具有已知构造的手持式焊炬。开关131被耦合到控制器，以使在焊接期间使用者可以激活开关131并且改变波形200以致被输入到焊缝中的温度是较小的。例如，开关的激活可以将波形200从第二阶段改变到冷却下降阶段(上面所讨论的)以使波形200可以是更冷却的焊接波形。因此，使用者可以在焊炬130处实现热量输入的控制。在进一步的示例性实施方案中，指示器132可以被安装在焊炬130上。指示器可以是指示焊接操作的温度是在焊接温度参数之内还是之外的任何装置，例如LED灯。例如，在正常操作期间，指示器132可以具有绿色，以指示工件/焊缝的温度是可接受的。如果温度太热，指示器可以改变为红色，指示使用者冷却下降开关131应该被触发，并且当温度达到期望的水平时，指示器将从红变为绿。在其他实施方案中，进一步的指示可以被提供给使用者。例如，如果温度对于期望的操作来说太冷却，指示器132可以示出蓝色，指示温度太冷却以使使用者可以减慢焊接工艺和/或释放开关131。附加地，指示器可以提供中间信号，例如黄照明，指示温度是在可接受得操作范围之内但正靠近操作范围的外限，以使使用者可以尝试调整焊接工艺而不接合开关131。因此，本发明的实施方案可以允许使用者通过开关的人工激活来实施波形200的冷却下降阶段，其中波形200被改变以使它提供更冷却的焊接操作。进一步地，指示器132可以提供使用者可视的提示或指示，以在焊接工艺期间提供与焊缝温度相关的指令或信息。
当然，在示例性实施方案中，当使用者接合开关131时，焊条E的焊丝送进速度也可以由控制器118改变到适合的速度。在一些实施方案中，焊丝送进速度也可以依据焊接操作而保持固定。
在本发明的一些示例性实施方案中，即使负功率比从一个阶段到另一个阶段改变，由每个循环C产生的总功率不会从一个循环C到下一个循环改变。就是说，即使负功率比如本文所描述的改变，针对波形200的每个循环C的总循环功率不会在各个循环改变。在这样的实施方案中，在焊接工艺期间提供的功率保持恒定。
这些上面所描述的实施方案，以及与本文所描述的范围一致的其他实施方案，导致控制并且保持期望的电弧长度同时最小化热量输入并且没有要求在波形的频率或EP部分上的改变。这样的控制相对于已知的控制方法提供显著的优点，所述已知的控制方法会增加热量输入、改变焊接频率或者以其他方式更改波形的所有方面。
尽管已经参照某些实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以进行各种改变并且等同方案可以被替代，而不偏离本发明的范围。另外，可以进行许多修改来使特定情形或材料适用于本发明的教导，而不偏离其范围。因此，并不意图将本发明限于所公开的特定实施方案，本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方案。
参考编号：
100          焊接***                203         本底电流水平
110          焊接电源供应器          205         斜坡上升部分
112          功率转换单元            207         峰值部分
114          输出逆变器              208         负部分
116          波形发生器              209         斜坡下降部分
118          控制器                  210         正部分
120          反馈电路
122          电压反馈电路            A           焊接电弧
130          焊炬                    C           循环
131          开关                    E           焊条
132          指示器                  tEN          持续时间
150          焊丝送进器              tPEAKEN       峰值持续时间
160          移动装置                W          工件
170          热传感器
200          电流波形                α           第二操作范围
201          峰值电流                θ           第一操作范围
202          脉冲

Claims (16)

1.一种电弧焊接电源供应器(110)，所述电弧焊接电源供应器(110)被配置来将焊接波形(200)输出到焊炬(130)，所述焊接电源供应器(110)包括：
波形发生器(116)，所述波形发生器(116)产生输出焊接波形(200)；以及
控制器(118)，所述控制器(118)基于期望的焊接温度和检测到的焊接温度之间的比较来控制所述输出焊接波形(200)，
其中所述控制通过调整功率比和持续时间比中的至少一个被执行，
其中所述功率比是所述焊接波形(200)的负部分(208)的功率与所述焊接波形(200)的正部分(210)的功率的比，
其中所述持续时间比是所述焊接波形(200)的负部分的持续时间(tEN)与所述焊接波形(200)的正部分(210)的持续时间(tEP)的比，并且
其中所述期望的焊接温度是温度设定点(TEMP)和温度范围中的一个。
2.如权利要求1所述的电弧焊接电源供应器，其中所述控制器(118)将功率比和持续时间比中的所述至少一个在焊接操作的第一阶段期间控制到第一值并且在焊接操作的第二阶段中控制到大于所述第一值的第二值，并且
其中所述第一值被选择来将工件(W)的温度倾斜变化到期望的焊接温度，并且所述第二值被选择来将所述工件(W)保持在所述期望的焊接温度。
3.如权利要求2所述的电弧焊接电源供应器，其中所述控制器(118)被配置来接收对应于焊接熔池和工件(W)中的至少一个的至少一个温度信号，并且
其中从所述第一阶段到所述第二阶段的转变是基于所述温度信号的。
4.如权利要求2或3所述的电弧焊接电源供应器，其中从所述第一阶段到所述第二阶段的转变是基于预先确定的时间段的终止和所述焊接波形(200)的循环(C)的数量的终止中的至少一个的，其中所述预先确定的时间段优选地是在200ms至5s的范围内，和/或其中所述循环的数量优选地是在10至200的范围内。
5.如权利要求4所述的电弧焊接电源供应器，其中所述预先确定的时间段被选择来提供在工件上建立焊接熔池的足够的时间。
6.如权利要求2至5中的一项所述的电弧焊接电源供应器，其中所述第一值是在1/10至2/5的范围内，并且
其中所述第二值高于所述第一值。
7.如权利要求6所述的电弧焊接电源供应器，其中所述第二值是所述第一值的四倍，并且
其中所述第一值基于焊接电流、焊接电压、焊丝送进速度、焊丝类型、工件材料类型、工件厚度、行进速度、熔敷率、最大工件温度、临界相变温度、预加热温度以及到焊接区的距离中的至少一个被选择。
8.如权利要求1至4中的一项所述的电弧焊接电源供应器，其中所述控制器(118)被配置来接收对应于焊接熔池和工件(W)中的至少一个的至少一个温度信号，并且
其中所述控制器(118)被配置来将所述温度信号与期望的焊接温度相比较并且基于所述比较执行最优化。
9.如权利要求1至8中的一项所述的电弧焊接电源供应器，其中所述控制器调整所述波形的所述负部分的功率，包括调整所述波形的所述负部分的峰值电流量值、峰值电流持续时间、电流斜坡率以及所述波形的所述负部分的持续时间中的至少一个。
10.如权利要求1至9中的一项所述的电弧焊接电源供应器，其中最优化通过保持所述功率比恒定的同时调整所述焊接波形(200)的所述负部分(208)的所述持续时间(tEN)来执行。
11.一种电弧焊接***(100)，所述电弧焊接***(100)包括：
焊炬(130)；以及
根据权利要求1至10中的一项的焊接电源供应器(110)，所述焊接电源供应器(110)被配置来将焊接波形(200)输出到所述焊炬(130)。
12.如权利要求11所述的电弧焊接***，还包括：
至少一个温度传感器(170)，所述至少一个温度传感器(170)被配置来传输对应于焊接熔池和工件(W)中的至少一个的温度信号，并且
其中所述控制器(118)被配置来接收所述温度信号并且将所述温度信号与期望的焊接温度(TEMP)相比较并且基于所述比较执行最优化。
13.如权利要求11或12所述的电弧焊接***，还包括：
焊丝送进器(150)，所述焊丝送进器(150)被配置来以期望的焊丝送进速度提供焊丝(E)，其中所述焊丝送进速度被控制来保持期望的电弧长度。
14.一种控制电弧焊接***(100)的方法，所述方法包括：
提供焊炬(130)；
产生焊接波形(200)；
将所述焊接波形(200)传输到所述焊炬(130)；以及
基于期望的焊接温度和检测到的焊接温度之间的比较通过调整功率比和持续时间比中的至少一个来控制所述焊接波形(200)，
其中所述功率比是所述焊接波形(200)的负部分(208)的功率与所述焊接波形(200)的正部分(210)的功率的比，
其中所述持续时间比是所述焊接波形(200)的负部分(208)的持续时间(tEN)比所述焊接波形(200)的正部分(210)的持续时间(tEP)，并且
其中所述期望的焊接温度是温度设定点(TEMP)和温度范围(θ)中的一个。
15.如权利要求14所述的控制电弧焊接***的方法，还包括：
感测对应于焊接熔池和工件(W)中的至少一个的温度；以及
接收感测到的温度，
其中最优化还包括将所述感测到的温度与期望的焊接温度相比较。
16.如权利要求14或15所述的电弧焊接***，其中最优化还包括将功率比和持续时间比中的所述至少一个在焊接操作的第一阶段期间控制到第一值并且在焊接操作的第二阶段中控制到大于所述第一值的第二值，并且
其中所述第一值被选择来将工件的温度倾斜变化到期望的焊接温度，并且所述第二值被选择来将所述工件保持在所述期望的焊接温度；其中优选地，从所述第一阶段到所述第二阶段的转变是基于感测到的温度的；其中优选地，从所述第一阶段到所述第二阶段的转变是基于预先确定的时间段的终止和所述焊接波形的循环的数量的终止中的至少一个的。
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