CN111230260A - 用于控制电弧焊接***以减少飞溅的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于通过调节焊接过程期间的短路事件来控制电弧长度的***，所述***包括焊接电源和控制器，所述焊接电源被配置成在焊接电极和工件之间进行自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程，所述控制器可操作地连接到所述焊接电源以控制所述自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程的焊接波形。所述控制器被配置成：自动确定所述焊接波形中是否包括拴系式初始短路；在所述自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程期间监控短路事件特性；并且在确定所述焊接波形中包括所述拴系式初始短路之后，基于所述短路事件特性自动调整所述焊接波形的至少一个参数，以调节在所述自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程期间所述焊接电极到所述工件的拴系式初始短路。

Description

用于控制电弧焊接***以减少飞溅的方法

技术领域

某些实施例涉及脉冲电弧焊接设备和工艺。更具体地，某些实施例涉及在短接的时间过程中通过减小输出电流来对在脉冲电弧焊接工艺中在焊接电极和工件之间形成的短路进行预期或作出反应，以减少飞溅。

背景技术

在电弧焊接中，流行的焊接工艺是脉冲焊接，脉冲焊接主要使用带有外部保护气体的实心焊丝电极。金属惰性气体(MIG)焊接利用首先熔化推进的焊丝电极的端部的间隔的脉冲，然后通过电弧将熔融金属从焊丝的端部推到工件上。在脉冲焊接工艺的每个脉冲期间转移球状的熔融金属团块。在某些脉冲周期过程中、尤其在焊接电极非常接近工件进行操作的应用中，熔融金属在从推进的焊丝电极完全释放之前接触工件。这在推进的焊丝电极与工件之间形成短路(亦称短接)。所希望的是快速地消除或清除短接以便获得与适当的脉冲焊接相关联的一致性。然而，清除短接可能导致产生所不希望的飞溅。这种飞溅致使焊接过程低效并且可能导致熔融金属飞溅在工件之上，所述熔融金属可能必须在稍后使用例如磨削工具来移除。

通过常规、传统和所提出的方法与本申请的其余部分中参照附图阐述的本发明的实施例相比较，这些方法的进一步的局限性和缺点对本领域内的技术人员而言将变得明显。

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、***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、***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、***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，提供了一种用于通过调节焊接过程期间的短路事件来控制电弧长度的***。所述***包括焊接电源和控制器，所述焊接电源被配置成在焊接电极和工件之间进行自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程，所述控制器可操作地连接到所述焊接电源以控制所述自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程的焊接波形。所述控制器被配置成基于所选择的焊接波形自动确定关于所述焊接波形的N个脉冲周期的拴系式初始短路的频率，其中N是整数。所述控制器进一步被配置成在所述自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程期间监控短路事件，并且基于所述短路事件自动调整所述焊接波形的至少一个参数，以调节在所述自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程期间所述焊接电极到所述工件的拴系式初始短路的频率。

在某些实施例中，所述焊接波形的所述至少一个参数包括所述焊接波形中的周期性脉冲的脉冲宽度。在某些实施例中，所述焊接波形的所述至少一个参数包括所述焊接波形中的周期性脉冲的脉冲幅度。在某些实施例中，所述焊接波形的所述至少一个参数包括所述焊接波形中的周期性脉冲的脉冲频率。在某些实施例中，所述焊接波形的所述至少一个参数包括所述焊接波形中的峰值脉冲的脉冲宽度和脉冲幅度两者。在某些实施例中，所述焊接波形包括峰值脉冲和具有小于所述峰值脉冲的脉冲幅度的等离子体升压脉冲，并且所述焊接波形的所述至少一个参数包括所述等离子体升压脉冲的脉冲幅度。在某些实施例中，所述拴系式初始短路的频率被调节使得缺少短路事件的脉冲周期多于包括短路事件的脉冲周期。在某些实施例中，所述控制器调节所述焊接电极到所述工件的拴系式初始短路的频率，使得所选择的脉冲周期包括拴系式初始短路，并且其他脉冲周期不包括拴系式初始短路。在某些实施例中，所述控制器被配置成基于所述短路事件的持续时间来调节所述焊接波形的至少一个参数。在某些实施例中，所述控制器被配置成基于各个脉冲周期内的短路事件的定时来调节所述焊接波形的所述至少一个参数。在某些实施例中，所述拴系式初始短路的频率是每N个脉冲周期一个短路事件，其中N大于一。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于通过调节焊接过程期间的短路事件来控制电弧长度的***。所述***包括焊接电源和控制器，所述焊接电源被配置成在焊接电极和工件之间进行自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程，所述控制器可操作地连接到所述焊接电源以控制所述自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程的焊接波形。所述控制器被配置成：自动确定所述焊接波形中是否包括拴系式初始短路；在所述自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程期间监控短路事件特性；并且在确定所述焊接波形中包括所述拴系式初始短路之后，基于所述短路事件持续时间自动调整所述焊接波形的至少一个参数，以调节在所述自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程期间所述焊接电极到所述工件的拴系式初始短路。

在某些实施例中，所述焊接波形的所述至少一个参数包括所述焊接波形中的周期性脉冲的脉冲宽度。在某些实施例中，所述焊接波形的所述至少一个参数包括所述焊接波形中的周期性脉冲的脉冲幅度。在某些实施例中，所述焊接波形的所述至少一个参数包括所述焊接波形中的周期性脉冲的脉冲频率。在某些实施例中，所述焊接波形的所述至少一个参数包括所述焊接波形中的峰值脉冲的脉冲宽度和脉冲幅度两者。在某些实施例中，所述控制器调节所述焊接电极到所述工件的拴系式初始短路的频率，使得所选择的脉冲周期包括拴系式初始短路，并且其他脉冲周期不包括拴系式初始短路。在进一步的实施例中，缺少短路事件的脉冲周期多于包括短路事件的脉冲周期。在更进一步的实施例中，所述拴系式初始短路的频率是每N个脉冲周期一个短路事件，其中N是大于一的整数。在某些实施例中，所述短路事件特性包括短路持续时间。在某些实施例中，所述短路事件特性包括所述焊接电极到所述工件的拴系式初始短路的频率。在某些实施例中，所述短路事件特性包括短接清除期间的电流大小。在某些实施例中，所述短路事件特性包括脉冲周期内短路事件的定时。在某些实施例中，所述焊接波形包括每个脉冲周期一个以上的拴系式初始短路，并且所述控制器基于所述每个脉冲周期一个以上的拴系式初始短路的总计持续时间来调整所述焊接波形的所述至少一个参数。

所要求保护的本发明的这些和其他特征及其所展示的实施例的细节将从以下描述和附图中得到全面理解。

附图说明

图1展示了将切换模块合并在焊接电流返回路径中的电弧焊接***的示例实施例的框图；

图2展示了图1的***的一部分的示例实施例的图，所述部分包括焊接电流返回路径中的切换模块；

图3展示了图1和图2的切换模块的示例实施例的示意图；

图4展示了用于使用图1的***来在脉冲电弧焊接过程中防止飞溅的方法的第一示例实施例的流程图；

图5展示了由并不根据图4的方法使用图1至图3的切换模块的常规脉冲电弧焊机产生的常规脉冲输出电流波形的示例；

图6展示了使用高速摄像技术在具有拴系连接的自由飞行过渡过程中发现的爆裂飞溅过程；

图7展示了由根据图4的方法使用图1至图3的切换模块的图1的脉冲电弧焊机产生的脉冲输出电流波形的示例；

图8展示了用于使用图1的***来在脉冲电弧焊接过程中防止飞溅的方法的另一示例实施例的流程图；

图9展示了由根据图8的方法使用图1至图3的切换模块的图1的脉冲电弧焊机产生的脉冲输出电流波形的示例；

图10展示了示例脉冲焊接波形；并且

图11展示了用于在脉冲焊接过程期间控制短路事件的方法的流程图。

具体实施方式

在电弧焊接过程中，当电极的尖端与工件之间的距离相当小时，熔融金属可以经由接触过渡过程(例如，表面张力过渡或STT过程)或通过拴系连接进行的自由飞行过渡过程(例如，脉冲焊接过程)过渡。在接触过渡过程中，焊接电极的尖端上的熔融金属球与工件接触(即，短接)并且在熔融金属球开始与电极的尖端基本上分离之前开始“润湿到”工件上的熔融熔池中。

在自由飞行过渡过程中，熔融金属球断裂脱离电极的尖端并且跨电弧朝向工件“飞行”。然而，当电极的尖端与工件之间的距离相当短时，跨电弧飞行的熔融金属球可能在细熔融金属系链仍然将熔融金属球连接到电极的尖端上的同时与工件接触(即，短接)。在这种拴系自由飞行过渡情境中，当熔融金属球与工件接触时，细熔融金属系链由于穿过系链的电流的快速增大而倾向于爆裂，从而引起飞溅，如本文在图6中所示。

图1展示了电弧焊接***100的示例实施例的框图，所述电弧焊接***将切换模块110合并在焊接输出返回路径中并提供焊接输出端121和122。***100包括功率转换器120，所述功率转换器能够将输入功率转换成焊接输出功率。功率转换器120可以是例如逆变器型功率转换器或斩波器型功率转换器。***100进一步包括焊丝给送器130，所述焊丝给送器能够将焊接电极焊丝E馈送穿过例如焊枪(未示出)，所述焊枪将焊接电极焊丝E连接到焊接输出端121。

***100还包括分流器140，所述分流器可操作地连接在功率转换器120与焊接输出端121之间，用于将焊接输出电流馈送到***100的电流反馈传感器150，以便感测由功率转换器120产生的焊接输出电流。***100进一步包括电压反馈传感器160，所述电压反馈传感器可操作地连接在焊接输出端121与焊接输出端122之间，用于感测由功率转换器120产生的焊接输出电压。作为替代方案，切换模块110可以在传出焊接电流路径中合并在例如功率转换器120与分流器140之间、或分流器140与焊接输出端121之间。

***100还包括高速控制器170，所述高速控制器可操作地连接到电流反馈传感器150和电压反馈传感器160上，以便接收呈表示焊接输出的信号161和162的形式的感测电流和感测电压。***100进一步包括波形发生器180，所述波形发生器可操作地连接到高速控制器170上，以便从高速控制器170接收告知波形发生器如何实时地适配焊接波形信号181的命令信号171。波形发生器180产生输出焊接波形信号181，并且功率转换器120可操作地连接到波形发生器180上，以便接收输出焊接波形信号181。功率转换器120通过基于输出焊接波形信号181将输入功率转换成焊接输出功率来生成调制焊接输出(例如，电压和电流)。

切换模块110可操作地连接在功率转换器120与焊接输出端122之间，所述焊接输出端在操作过程中被连接到焊接工件W上。高速控制器170还可操作地连接到切换模块110上，以便向切换模块110提供切换命令信号(或消隐信号)172。根据本发明的一个实施例，高速控制器170可以包括逻辑电路、可编程微处理器和计算机存储器。

根据本发明的实施例，高速控制器170可以使用感测电压信号161、感测电流信号162或两者的组合来确定在每个脉冲周期过程中，何时在推进电极E与工件W之间发生短接、何时将要清除短接、以及何时实际上已经清除短接。确定何时发生短接和何时清除短接的此类方案是本领域众所周知的，并且在例如通过引用结合在此的U.S.7,304,269中进行了描述。当发生短接时和/或当短接被清除时，高速控制器170可以命令波形发生器180修改波形信号181。例如，当确定短接已经被清除时，高速控制器170可以命令波形发生器180将等离子体升压脉冲(见图7的脉冲750)合并在波形信号181中，以便防止紧接在清除先前短接之后发生另一个短接。

图2展示了图1的***100的一部分的示例实施例的图，所述部分包括焊接电流返回路径中的切换模块110。功率转换器120可以包括逆变器电源123和续流二极管124。焊接输出路径由于焊接输出路径内的不同电气部件而将具有固有焊接电路电感210。切换模块110被示出为具有与电阻路径112(例如，高额定功率电阻的网络)并联的电气开关111(例如，功率晶体管电路)。

在焊接波形的脉冲周期过程中，当不存在短接时，由来自高速控制器170的切换命令信号172命令电气开关111闭合。当电气开关111闭合时，电气开关111在输出焊接返回路径中提供电阻非常低的路径，从而允许焊接电流穿过开关111自由地返回到功率转换器120。电阻路径112仍然存在于焊接输出返回路径中，但大部分电流将流动穿过由闭合开关111提供的低电阻路径。然而，当检测到短接时，由来自高速控制器170的切换命令信号172命令电气开关111断开。当电气开关111断开时，电流被截断以防流动穿过开关111并且被迫流动穿过电阻路径112，从而导致电流的水平由于由电阻路径112提供的电阻而降低。

图3展示了图1和图2的切换模块110的示例实施例的示意图。如图所示，切换模块110包括晶体管电路111和电阻器网络112。切换模块110可以包括用于安装模块110的不同电气部件的电路板，所述电气部件包括例如晶体管电路111、电阻器网络112、LED和状态逻辑电路。

图4展示了用于使用图1的***100来在脉冲电弧焊接过程中防止飞溅的方法400的第一示例实施例的流程图。步骤410表示其中切换模块110的开关111常闭(无短接情况)的操作。在步骤420中，如果未检测到短接，那么开关111保持闭合(无短接情况)。然而，如果检测到短接，那么在步骤430中，命令开关111在短接间隔(即，电极在其间短接到工件的时间段)过程中经历断开和闭合序列。

步骤430中的断开/闭合序列从在首先检测到短接时断开开关111开始。开关111保持断开、持续第一时间段(例如，短接间隔的前10％)。这使输出电流快速减小，所以短接并不立刻断开从而引起大量飞溅。在第一时间段之后，再次闭合开关，并且输出电流在第二时间段过程中斜变以便引起熔融短接部分(molten short)开始形成窄颈，以尝试断裂脱离电极并清除短接。在这个第二时间段过程中，在电流斜变时，执行dv/dt检测方案以便预计短接何时将清除(即，颈何时将断裂)。这种dv/dt方案是本领域中众所周知的。然后恰好在短接将要清除之前(例如，在短接间隔的后10％过程中)再次断开开关111，以便再次快速地降低输出电流，从而防止颈部实际断裂时(即，短接实际清除时)的过度飞溅。

在步骤440中，如果短接(电极与工件之间的短接)仍然存在，那么开关111保持断开。然而，如果短接已经被清除，那么在步骤450中，再次闭合开关111。以此方式，在短接情况过程中，开关111经历断开/闭合序列，并且流动穿过焊接输出路径的电流在开关断开时减小，从而导致减少的飞溅。根据本发明的一个实施例，方法400在高速控制器170中实现。此外，根据本发明的一个实施例，***100能够以120kHz的速率做出反应(即，切换模块110能够以这个高速率来接通和切断)，从而对短接的检测和短接清除的检测提供充分的反应，以便以有效方式实现方法400。

根据在某种程度上更简单的替代性实施例，替代经历以上参考图4描述的断开/闭合序列，响应于检测到推进的焊丝电极与工件之间的短接，通过断开开关111、持续至少所确定时间段，从而增大焊接电路路径中的电阻，来减小焊接电路路径的电流。对于大多数脉冲周期，所确定时间段具有允许在不必首先增大焊接电路路径的电流的情况下清除短接的持续时间。在给定脉冲周期过程中，如果短接如所希望地在所确定时间段已经到期之前清除，那么所述过程行进到脉冲周期的下一部分。然而，如果短接在预先确定的时间段内未清除，那么紧接在所确定时间段之后，再次闭合开关111，从而引起焊接电路路径的电流再次增大并清除短接。在这种替代性实施例中，开关111简单地响应于检测到短接而断开，持续所确定时间段的至少一部分。在大多数脉冲周期中，无需增大电流以便清除短接。

此外，作为一个选项，当检测到推进的焊丝电极与工件之间的短接时，可以减慢推进的焊丝电极的速度。减慢推进的焊丝电极的速度通过未向短接添加否则将添加那样多的材料而有助于更容易地清除短接。为了减慢推进的焊丝电极的速度，可以切断推进所述焊丝电极的送丝器的电动机，并且可以向电动机施加制动。根据不同实施例，制动可以是机械制动或电气制动。

图5展示了由常规脉冲电弧焊机产生的常规脉冲输出电流波形500的示例，所述常规脉冲电弧焊机并不根据图4的方法400或上述更简单的替代性方法来使用图1至图3的切换模块110。如从图5的波形500可以看出，在发出峰值脉冲510之后，可能发生短接，所述短接在例如时间520处开始，持续直到时间530，例如短接被清除时。时刻520和530限定了短接间隔540。如在图5中可以看出，峰值脉冲510是在焊接过程的多个脉冲周期或循环过程中以规则间隔发出的。在任何给定循环或脉冲周期过程中，可能发生或可能不发生短接情况。在常规***中，当发生短接时，焊接输出路径中存在与电感相比非常小的电阻。电流继续流动，即使电源被切断也是如此。

再次参考图5，在短接间隔540期间，由于电极E与工件W之间缺少电弧(电阻变得非常低)，并且由于焊接电路电感210起作用来保持电流在焊接输出路径中流动(即使在功率转换器120被相控回到最小水平)的事实，输出电流倾向于增大。电流倾向于增大，直到短接被清除(即，直到熔融金属短接部分断裂脱离电极E)。然而，在此类增大的电流水平下，当短接断开或清除时，增大的电流水平倾向于引起熔融金属爆裂，从而引起飞溅。

图6展示了使用高速摄像技术在具有拴系连接的自由飞行过渡过程中发现的爆裂飞溅过程。高峰值脉冲(例如，510)引起熔融金属球610朝向工件W推出，从而在球610与电极E之间形成窄系链620。当球610跨电弧朝向工件W飞行时，系链620变窄，并且最终，通过系链620在电极E与工件W之间发生短接。对于其中焊接电极非常接近工件进行操作的操作中的几乎每个脉冲周期，这种情况往往都会发生。具体地，发现，对于自由飞行过渡脉冲焊接过程，系链620造成初期短接，并且大量电流可以开始流动穿过窄系链620。增大的电流水平最终引起相当细的熔融系链620爆裂，从而造成飞溅630，如图6所示。然而，通过如本文在以上所描述地合并切换模块110和方法400，可以大大地减少所造成的飞溅630。

图7展示了由图1的脉冲电弧焊机100产生的脉冲输出电流波形700的示例，所述脉冲电弧焊机根据图4的方法400使用图1至图3的切换模块110。如从图7的波形700可以看出，在发出峰值脉冲710之后，可能发生短接，所述短接在例如时间720处开始，持续直到时间730，例如短接被清除时。时刻720和730限定了短接间隔740。如在图7中可以看出，峰值脉冲710是在焊接过程的多个脉冲周期或循环过程中以规则间隔发出的。在任何给定循环过程中，可能发生或可能不发生短接情况。然而，当电极的尖端与工件之间的距离相当小时，在几乎每个循环上都可能发生短接。

再次参考图7，在短接间隔740过程中，在首先发生短接时并且再次地在短接将要清除时断开切换模块110的开关111，从而引起输出电流流动穿过电阻路径112，并且因此，引起电流水平降低。作为示例，切换信号172可以是在检测到短接时从高变低、从而引起开关断开的逻辑信号。类似地，当短接被清除时，切换信号172可以从低变高，以便再次闭合开关111。当开关111断开时，电阻路径112在焊接输出路径上放置负载，从而允许续流电流快速下降到所希望的水平。电流倾向于减小、直到短接被清除为止，并且在此类减小的电流水平下，当短接断开或清除时，熔融金属倾向于以不爆裂的形式夹断，从而消除所造成的飞溅或至少减少所造成的飞溅的量。而且，在图7的波形700中，用于帮助防止紧接在恰好清除的短接之后发生另一个短接的等离子体升压脉冲750更突出并且潜在地更有效。

图8展示了用于使用图1的***100来在脉冲电弧焊接过程中防止飞溅的方法800的另一个示例实施例的流程图。根据一个实施例，方法800由控制器170执行。高速控制器170跟踪短接发生时间和/或短接清除时间，并且提供在至少下一脉冲周期期间何时将出现短接间隔940(短接发生与短接被清除时之间的时间)(见图9)的估计值。根据这个估计值，可以确定用于生成消隐信号172的消隐间隔960(见图9)。

在方法800的步骤810中，根据已知技术，***100在脉冲焊接波形的重复脉冲周期过程中检测短接的发生和/或这些短接的清除。在步骤820中，(例如，由高速控制器170)跟踪在脉冲周期内检测到的短接和/或清除的发生时间。在步骤830中，基于跟踪结果来估计针对下一脉冲周期的短接间隔940(见图9)的位置和持续时间。在步骤840中，基于针对下一脉冲周期的短接间隔的所估计位置来确定针对至少下一脉冲周期的重叠消隐间隔960。在步骤850中，(例如，由控制器170)生成消隐信号(一种类型的切换信号)172，所述消隐信号将在下一脉冲周期过程中被应用到切换模块110。

图9展示了由图1的脉冲电弧焊机100产生的脉冲输出电流波形900的实例，所述脉冲电弧焊机根据图8的方法800使用图1至图3的切换模块110。如从图9的波形900可以看出，在发出峰值脉冲910之后，可能发生短接，所述短接在例如时间920处开始，持续直到时间930，例如短接被清除时。时刻920和930限定了短接间隔940。如在图9中可以看出，峰值脉冲910是在焊接过程中以规则间隔发出的。在任何给定循环过程中，可能发生或可能不发生短接情况。然而，在其中电弧长度相对较短(即，其中焊丝电极相对较接近工件进行操作)的焊接过程中，在几乎每个脉冲周期中都可能发生短接。

根据方法800，确定脉冲周期内的短接发生时间和/或短接清除时间并且从脉冲周期到脉冲周期地进行跟踪。以此方式，控制器170可以估计将很可能在下一脉冲周期或即将来临的脉冲周期中出现的短接间隔的位置。然而，在脉冲焊接过程开始时，在可获得任何实质性跟踪信息之前，短接间隔的位置可以是基于例如实验数据或来自先前焊接过程的所存储数据的所存储默认位置。消隐信号172可以被适配或修改以在消隐信号172内形成消隐间隔960，所述消隐间隔与针对接下来的脉冲周期的所估计短接间隔940在时间上重叠。理想地，消隐间隔960在下一脉冲周期的短接间隔940不久之前(例如，在时间920之前)开始，并且在下一脉冲周期的短接间隔940不久之后(例如，在时间930之后)结束，因此有时间重叠。在一个实施例中，仅跟踪短接发生时间而不跟踪短接清除时间。在这种实施例中，消隐间隔的持续时间基于经验知识被设定成持续足够长的时间以供短接消除。

以此方式，不必在切换模块110的开关111可以断开之前检测到下一脉冲周期过程中的短接的实际发生。随着脉冲焊接过程的进行，短接间隔的位置可以随着例如焊丝电极与工件之间的距离的偏移或变化而偏移或变化。然而，在这个实施例中，由于短接间隔的位置是随着时间的推移来跟踪的，因此消隐信号的位置可以被适配成用于有效地遵循并预计短接间隔。通过在消隐间隔960过程中断开开关111，电流下降并且预期系链将在消隐间隔960过程中出现并断裂。

实验结果已经表明，如本文所描述地在特定脉冲焊接情境下使用切换模块110，在清除短接的点的焊接输出电流水平可以从约280安培降低到约40安培，从而在所产生飞溅的量上造成巨大差异。总体上，使电流降低到低于50安培似乎显著地减少飞溅。另外，能够维持行进速度(例如，60英寸-80英寸/分钟)和沉积速率。

在焊接电极与工件之间存在短接时的时间段过程中降低焊接输出电流水平的其他装置和方法也是可能的。例如，在替代性实施例中，焊接电源的控制拓扑可以被配置成用于在短接的时间过程中将输出电流控制到高度调控的水平。电源可以在短接间隔过程中将短接电流控制到更低水平(例如，低于50安培)以便减少飞溅。例如，参考图1，切换模块110可以被禁用或消除，从而允许电流在焊接输出电路路径中自由流动。控制器170被配置成用于命令波形发生器180修改焊接过程的输出焊接波形信号181在消隐间隔过程中的部分，以便减小穿过焊接输出电路路径的焊接输出电流。因此，在这个替代性实施例中，控制器170通过波形发生器180和功率转换器120而不是经由切换模块110来在消隐间隔过程中减小电流。如果焊接电路的电感210足够低，那么这种替代实施例可以非常良好地运作。

在脉冲焊接期间，通常期望较小电弧长度，因为与使用较长电弧长度产生的焊缝相比，这往往会产生具有增大的行进速度的更好的焊道。然而，利用较小电弧长度的焊接会导致飞溅事件，诸如由于焊丝电极和接触焊接熔池的熔融电极材料之间的拴系连接而引起的初始短路。拴系式初始短路是由将熔融金属球连接到电极的尖端的细熔融金属系链造成的，并且这种拴系式初始短路在焊接期间可能是期望的，也可能不是期望的。在一些脉冲焊接过程中，在每个脉冲周期期间(例如，在每个峰值脉冲之后)，可能期望拴系式初始短路，而在其他脉冲焊接过程中，可能根本不期望拴系式初始短路(例如，为了减少飞溅事件和由此产生的飞溅)。在进一步的脉冲焊接过程中，在一些脉冲周期期间，可能期望拴系式初始短路，但在其他脉冲周期期间，诸如每二个脉冲周期、每三个脉冲周期、每四个脉冲周期、每十个脉冲周期、每二十个脉冲周期等，则不期望。

适当的脉冲焊接波形可以被设计成在焊接期间(或者在每个脉冲周期期间，或者在一些脉冲周期期间但不是在所有脉冲周期期间)产生拴系式初始短路，或者避免拴系式初始短路的发生。在任一情况下，焊接波形被设计为考虑焊接输出路径的模型。例如，当设计焊接波形时，可以假设典型的焊接电路电感210水平(图2)和电阻水平。焊接波形可以进一步基于预期的保护气体混合物或电极设计来进行设计。如果特定的焊接设置(例如，焊接输出路径、气体混合物、电极等)匹配所假设的设置，那么焊接波形应根据设计来执行(例如，在脉冲焊接期间引起或避免拴系式初始短路)。然而，如果特定的焊接设置与所假设的设置不匹配，诸如当使用长焊接电缆或气体混合物被改变时，则焊接波形可能不根据设计来执行(例如，电弧长度可能改变)。例如，拴系式初始短路可能不会在每个脉冲周期期间发生，或者可能在不期望时发生。甚至改变焊接位置，诸如从竖直焊接到水平焊接，也可能影响焊接波形的性能以及电弧和电弧长度。

常规上，MIG焊接电源采用闭环电压控制来控制焊接波形(例如，闭环控制来实现预设的平均电压)。然而，这种常规控制可能导致基于如上所讨论的焊接设置的不同类型的熔滴过渡。参考图1，控制器170可以在自由飞行过渡脉冲电弧焊接期间监控短路事件(例如，拴系式初始短接)的发生，并且基于与短路事件相关联的条件或特性来调整焊接波形的参数。此类条件可以包括短路事件的频率、持续时间或严重程度、短接清除或断开时的焊接电流大小、短接发生时的焊接电流大小、短路相对于焊接波形中峰值脉冲的定时(例如，峰值脉冲和短路之间的时间延迟)、以及脉冲周期内拴系式初始短路的时间位置。例如，基于脉冲焊接期间短路事件的特性或频率，控制器170可以命令波形发生器180修改波形信号181，以消除焊接电极E到工件W的拴系式初始短路，或者调节这种短路(例如，控制它们的频率和/或持续时间)，使得它们在每个脉冲周期或以另一期望频率(诸如每N个脉冲周期发生1次短路事件，其中N是整数(N可以是1或大于1))发生。

控制器170可以基于自由飞行过渡脉冲电弧焊接期间短路事件的发生，调整焊接波形的一个或多个参数，以控制焊接输出和电弧长度，并实现期望的熔滴过渡模式。如果焊接输出关于短路持续时间、频率、脉冲周期内的位置或缺少短路的特性对于特定焊接应用而言不是预期的或期望的，控制器170可以自动识别这个偏差并相应地调整焊接波形参数(例如，调节焊接电极到工件的拴系式初始短路)。例如，通过基于短路事件特性调整焊接波形参数，控制器170可以控制拴系初始短路多久发生(诸如每N个脉冲周期一次)、短路持续多长时间、短路在脉冲周期内何时发生、短路事件期间的电流大小等。

在某些实施例中，仅所选择的脉冲周期包括拴系式初始短路，而其他脉冲周期不包括。脉冲周期多频繁地包括短路可以基于附加的焊接参数，诸如焊丝进给速度WFS。例如，与具有较慢WFS的焊接相比，具有较快WFS的焊接可导致更多的包括短路的脉冲周期。在某些实施例中，在每个脉冲周期期间，焊接波形可以包括不只一个短路事件，并且控制器170可以基于多个短路事件的总的或总计的持续时间来调整焊接波形的参数。

焊接波形可以由焊接***的操作员或由与控制器170通信的分离的控制***(例如，机器人控制器、可编程逻辑控制器(PLC)等)选择。焊接波形还可以由控制器170基于各种设置或参数(诸如所选择的焊接工艺)来选择。在某些实施例中，控制器170可以自动确定拴系式初始短路是否是焊接期间预期的或者自动确定是否包括在焊接波形中。控制器170还可以确定拴系式初始短路应多频繁地发生、它们应持续多长时间等。例如，控制器170可以对定义所选择的焊接波形的数据进行分析，以确定在焊接期间短路是否是预期的和/或短路的频率和其他特性。定义所选择的焊接波形的数据还可以包括关于在焊接期间短路是否是预期的以及与短路相关的特性或条件的指示。例如，短接事件的数量或频率、短接事件的持续时间、它们在脉冲周期内的位置或相对于脉冲周期的其他方面的定时(例如，与峰值脉冲或等离子体升压脉冲的时间偏移)、短接清除时的焊接电流的大小等可以作为焊接波形的一部分编程到控制器中。根据所选择的焊接波形，控制器170可以自动确定短路的特性。在主动焊接期间，控制器170可以监控实际发生的短路。控制器170可以自动调整焊接波形的一个或多个参数，以消除短接(如果它们不是期望的或者不包括在焊接波形中)，或者调节短接，使得它们满足所编程的特性(例如，具有适当的持续时间、频率等)。如果电极短接太严重进入到焊接熔池中，诸如太快或持续时间太长，或者根本不短接或持续时间太短，或者在脉冲周期内以错误的频率或在错误的位置处短接，可以使用所监控的短接特性作为反馈，而不是或除此之外使用平均电压作为反馈，以闭环方式调整焊接波形的参数。控制器170还可以基于附加的监控数据，诸如焊接电压或电流，来调整焊接波形的一个或多个参数。例如，控制器170可以基于短路持续时间和/或频率以及在短路期间刚好在熔融球与电极分离之前出现的电流水平进行参数调整。如果短路期间的电流水平太高，则焊接波形的一个或多个脉冲可以在持续时间或幅度方面增加，以将更多的能量放入波形中，从而帮助熔融球与电极分离(并且因此降低短路的严重性)。

焊接波形的示例参数(可以由控制器170调整以实现期望的拴系式初始短路或消除这种短路)包括焊接电压、焊接电流、峰值脉冲的脉冲宽度、峰值脉冲的脉冲幅度、等离子体升压脉冲的脉冲宽度、等离子体升压脉冲的脉冲幅度、峰值脉冲的上升斜坡变化率和下降斜坡变化率、峰值脉冲和/或等离子体升压脉冲的脉冲频率等。例如，如果在焊接过程中出现拴系式初始短路，但是太严重(诸如持续太长的持续时间)，则可以增加峰值脉冲宽度和/或幅度，以帮助更快地从电极箍断熔融金属。通过如上所讨论的调节拴系式初始短路，可以在焊接期间实现期望的较小电弧长度。

图10展示了示例脉冲焊接波形1000，所述脉冲焊接波形可以被基于焊接期间的拴系式初始短路的发生而修改。波形1000包括一系列周期性峰值脉冲1010A、1010B、1010C、1010D。波形1000进一步包括基值水平1020和低压短路事件1030A、1030B。可以看出，第一短路事件1030A的持续时间X1小于第二短路事件1030B的持续时间X2。如果第一短路事件1030A不够严重(例如，持续时间太短)，后续峰值脉冲1010B的脉冲宽度和/或脉冲幅度可以向下调整，如虚线所指示的。如果第二短路事件1030B太严重，后续峰值脉冲1010D的脉冲宽度和/或脉冲幅度可以向上调整，如虚线所指示的。脉冲焊接波形1000还可以包括如图7所示的等离子体升压脉冲，并且可以类似于峰值脉冲来调整等离子体升压脉冲，以实现期望的短路持续时间和频率。如上所讨论的，如果波形1000关于短路持续时间、频率、脉冲周期中的位置或缺少短路的脉冲特性不是预期的或期望的，控制器可以自动识别这个偏差并相应地调整焊接输出。在图10中进一步可以看出的是，并非所有的脉冲周期都必须包括短路事件。峰值脉冲1010B和峰值脉冲1010C之间没有短路事件发生。如果预期每两个脉冲周期包括短路事件，则这可能是可接受的，或者如果预期每个脉冲周期包括短路事件，则这可能是不可接受的。

图11展示了用于在脉冲焊接过程期间控制短路事件的方法1100的流程图。方法1100可以完全或部分地由以上参照图1讨论的控制器170来执行。例如，焊接波形由控制器或由焊接***的操作员选择1110。然后，确定1120关于所选择的焊接波形中是否包括拴系式初始短路。无论所选择的焊接波形中是否包括拴系式短路，仍然可能期望周期性地(诸如每N个脉冲周期)产生拴系式初始短路，以帮助保持电弧长度较短。因此，可以相对于焊接波形的N个脉冲周期来确定1125短路事件的期望频率，即使短路不包括在焊接波形中或者仅包括在某些脉冲周期中(例如，缺少短路事件的脉冲周期可能多于包括短路事件的脉冲周期)。短路事件在自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程期间被监控1130，以记录短路事件的各种特性，诸如持续时间、频率、严重性等。然后，基于短路事件持续时间和可能地其他信息(例如，短路状况期间的焊接电流水平)来调整焊接波形参数，以调节短路1140。如果焊接波形中包括短路，则可以调整焊接波形参数以实现适当持续时间和频率的拴系式初始短路(例如，在每个脉冲周期期间或在所选择的脉冲周期期间)。如果焊接波形中不包括短路，则可以调整焊接波形参数，使得大多数脉冲周期缺少短路或者所有脉冲周期缺少短路。控制焊接波形以产生周期性的拴系式初始短路(即使在焊接期间通常不期望这些短路并且在每个脉冲周期期间不包括这些短路时)，可以有助于保持电弧长度较短。例如，每十个脉冲周期可以包括拴系式初始短路，以便调节电弧长度。如果短路是不期望的，但在某些脉冲周期内仍会发生，则这种短路的频率可以根据附加的焊接参数(例如WFS)来确定。

虽然已经参照某些实施例描述了本申请的所要求保护的主题，但本领域的普通技术人员将理解的是，在不脱离所要求保护的主题的范围的情况下可以做出各种改变并且可以代替等效物。另外，可以进行许多修改来使特定情形或材料适合所要求保护主题的教导，而不脱离其范围。因此，所旨在的是，所要求保护的主题内容不受限于所披露的特定实施例，而是所要求保护的主题内容将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (24)

1.一种用于通过调节焊接过程期间的短路事件来控制电弧长度的***，所述***包括：

焊接电源，所述焊接电源被配置成在焊接电极和工件之间进行自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程；以及

控制器，所述控制器可操作地连接到所述焊接电源以控制所述自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程的焊接波形，其中所述控制器被配置成：

基于所选择的焊接波形自动确定关于所述焊接波形的N个脉冲周期的拴系式初始短路的频率，其中N是整数；

在所述自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程期间监控短路事件，并且

基于所述短路事件自动调整所述焊接波形的至少一个参数，以调节在所述自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程期间所述焊接电极到所述工件的拴系式初始短路的频率。

2.如权利要求1所述的***，其中，所述焊接波形的所述至少一个参数包括所述焊接波形中的周期性脉冲的脉冲宽度。

3.如权利要求1所述的***，其中，所述焊接波形的所述至少一个参数包括所述焊接波形中的周期性脉冲的脉冲幅度。

4.如权利要求1所述的***，其中，所述焊接波形的所述至少一个参数包括所述焊接波形中的周期性脉冲的脉冲频率。

5.如权利要求1所述的***，其中，所述焊接波形的所述至少一个参数包括所述焊接波形中的峰值脉冲的脉冲宽度和脉冲幅度两者。

6.如权利要求1所述的***，其中，所述焊接波形包括峰值脉冲和具有小于所述峰值脉冲的脉冲幅度的等离子体升压脉冲，并且所述焊接波形的所述至少一个参数包括所述等离子体升压脉冲的脉冲幅度。

7.如权利要求1所述的***，其中，所述拴系式初始短路的频率被调节使得缺少短路事件的脉冲周期多于包括短路事件的脉冲周期。

8.如权利要求1所述的***，其中，所述控制器调节所述焊接电极到所述工件的拴系式初始短路的频率，使得所选择的脉冲周期包括拴系式初始短路，并且其他脉冲周期不包括拴系式初始短路。

9.如权利要求1所述的***，其中，所述控制器被配置成基于所述短路事件的持续时间来调整所述焊接波形的至少一个参数。

10.如权利要求1所述的***，其中，所述控制器被配置成基于各个脉冲周期内的短路事件的定时来调整所述焊接波形的至少一个参数。

11.如权利要求1所述的***，其中，所述拴系式初始短路的频率是每N个脉冲周期一个短路事件，其中N大于一。

12.一种用于通过调节焊接过程期间的短路事件来控制电弧长度的***，所述***包括：

焊接电源，所述焊接电源被配置成在焊接电极和工件之间进行自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程；以及

控制器，所述控制器可操作地连接到所述焊接电源以控制所述自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程的焊接波形，其中所述控制器被配置成：

自动确定所述焊接波形中是否包括拴系式初始短路，

在所述自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程期间监控短路事件特性，并且

在确定所述焊接波形中包括所述拴系式初始短路之后，基于所述短路事件特性自动调整所述焊接波形的至少一个参数，以调节在所述自由飞行过渡脉冲电弧焊接过程期间所述焊接电极到所述工件的拴系式初始短路。

13.如权利要求12所述的***，其中，所述焊接波形的所述至少一个参数包括所述焊接波形中的周期性脉冲的脉冲宽度。

14.如权利要求12所述的***，其中，所述焊接波形的所述至少一个参数包括所述焊接波形中的周期性脉冲的脉冲幅度。

15.如权利要求12所述的***，其中，所述焊接波形的所述至少一个参数包括所述焊接波形中的周期性脉冲的脉冲频率。

16.如权利要求12所述的***，其中，所述焊接波形的所述至少一个参数包括所述焊接波形中的峰值脉冲的脉冲宽度和脉冲幅度两者。

17.如权利要求12所述的***，其中，所述控制器调节所述焊接电极到所述工件的拴系式初始短路的频率，使得所选择的脉冲周期包括拴系式初始短路，并且其他脉冲周期不包括拴系式初始短路。

18.如权利要求17所述的***，其中，缺少短路事件的脉冲周期多于包括短路事件的脉冲周期。

19.如权利要求18所述的***，其中，所述拴系式初始短路的频率是每N个脉冲周期一个短路事件，其中N是大于一的整数。

20.如权利要求12所述的***，其中，所述短路事件特性包括短路持续时间。

21.如权利要求12所述的***，其中，所述短路事件特性包括所述焊接电极到所述工件的拴系式初始短路的频率。

22.如权利要求12所述的***，其中，所述短路事件特性包括短接清除期间电流大小。

23.如权利要求12所述的***，其中，所述短路事件特性包括脉冲周期内短路事件的定时。

24.如权利要求12所述的***，其中，所述焊接波形包括每个脉冲周期一个以上的拴系式初始短路，并且所述控制器基于所述每个脉冲周期一个以上的拴系式初始短路的总计持续时间来调整所述焊接波形的所述至少一个参数。

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