從電壓和電流反饋提取電弧長度的制作方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明總體上涉及焊接系統(tǒng)，并且更具體地講，涉及控制氣體保護金屬極弧焊(GMAff)的焊接系統(tǒng)，也稱為，金屬極惰性氣體保護(MIG)焊接系統(tǒng)。
[0002]電弧焊接系統(tǒng)通常包括電源，電源將電流施加到電極上以使電弧穿過電極與工件之間，從而加熱電極和工件以建立焊點。在許多系統(tǒng)中，例如，氣體保護金屬極弧焊系統(tǒng)(GMAff)中，電極由通過焊炬進給的焊絲構(gòu)成。由于通過電弧加熱電極，電極熔化并結(jié)合在工件的熔化金屬上以形成焊點。
[0003]先進形式的MIG焊接基于在焊接電源中脈沖功率的產(chǎn)生，這可以稱為脈沖氣體保護金屬極弧焊(GMAW-P)。也就是說，可以實現(xiàn)各種脈沖體系，其中通過由電源控制電路命令電流脈沖和/或電壓脈沖以調(diào)節(jié)來自焊絲的金屬熔滴的形成和沉積、維持熔池所需的加熱和冷卻分布以及控制焊絲與熔池之間的短路等。
[0004]通過控制將電壓和電流供應(yīng)到電極，GMAW系統(tǒng)可以控制通過電弧熔化并沉積電極的方式?？刂齐姌O與工件之間的電弧長度可以影響施加的能量和/或如何通過電弧沉積電極。一些GMAW系統(tǒng)可以嘗試通過控制供應(yīng)到焊炬的焊接電壓來維持恒定的電弧長度。然而，跨電弧長度的電弧電壓可能僅僅是焊炬與工件之間的焊接電壓的一部分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]以下概述了與最初要求保護的發(fā)明的范圍相同的某些實施例。這些實施例并非旨在限制要求保護的發(fā)明的范圍，而是這些實施例僅僅旨在提供本發(fā)明的可能形式的簡要概述。實際上，本發(fā)明可以包含類似于或不同于以下闡述的實施例的各種形式。
[0006]在第一實施例中，一種控制焊接系統(tǒng)的方法包括:以一電流斜變率控制供應(yīng)到電極的焊接電流;并且至少部分地基于受控制的焊接電流和變化的焊接電壓確定電弧長度。所述電弧長度包括所述電極與工件之間的距離，并且所述電弧電壓包括所述電極與所述工件之間的電壓。
[0007]在另一個實施例中，一種焊接系統(tǒng)包括:功率轉(zhuǎn)換電路，其被配置成提供脈沖焊接波形到焊炬;一個或多個傳感器；以及與所述一個或多個傳感器連接的處理電路。所述脈沖焊接波形包括峰值部分，所述峰值部分包括斜升部分或斜降部分。所述一個或多個傳感器被配置成感測施加在所述焊炬內(nèi)的電極上的脈沖焊接波形的焊接電壓和所述脈沖焊接波形的焊接電流。所述處理電路被配置成至少部分地基于在所述斜升部分或所述斜降部分期間所述焊接電流的變化以及焊接電壓的變化確定電弧長度。所述電弧長度包括所述電極與工件之間的距離。
[0008]在另一個實施例中，一種控制焊接系統(tǒng)的方法包括:感測脈沖焊接波形的變化的焊接電流和變化的電壓;至少部分地基于所述變化的電流和所述變化的電壓確定電極的電阻;至少部分地基于焊接電壓、所述電阻和降電落壓確定電弧電壓;并且至少部分地基于所述電弧長度與所述電弧電壓之間的函數(shù)關(guān)系在所述脈沖焊接波形期間控制電弧長度。所述電弧長度包括所述電極與工件之間的距離。
【附圖說明】
[0009]當結(jié)合附圖閱讀以下詳細說明時，會明白本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點，附圖中相似的附圖標記代表在整個附圖中相似的部件，其中:
[0010]圖1是圖示了根據(jù)本技術(shù)的一些方面用于執(zhí)行焊接操作的與送絲機連接的電源的GMAW系統(tǒng)的實施例；
[0011]圖2是圖1所示類型的焊接電源的控制電路部件的實施例；
[0012]圖3是沿著圖1的GMAW系統(tǒng)的線3_3截取的電極與工件之間的焊接電弧的實施例；
[0013]圖4是GMAW系統(tǒng)的電壓和電流波形的實施例；
[0014]圖5是GMAW系統(tǒng)的脈沖波形的變化部分的采樣的電壓和電流的圖示；
[0015]圖6是根據(jù)實施例的電弧長度與λ之間的關(guān)系的圖示；
[0016]圖7是圖示了根據(jù)實施例的用于獲得與電弧長度和λ有關(guān)的數(shù)據(jù)組的方法的流程圖；以及
[0017]圖8是用于確定并控制脈沖波形的電弧長度的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0018]以下將描述本發(fā)明的一個或多個具體實施例。為了提供這些實施例的精確描述，本說明書中不會描述實際實施方式的所有特征。應(yīng)當理解，在研發(fā)任何這種實際實施方式時，例如在任何工程或設(shè)計項目中，必須作出眾多專門針對實施方式的決定來達到開發(fā)者的具體目的，例如，遵循系統(tǒng)相關(guān)的和商業(yè)相關(guān)的約束條件，這可能因?qū)嵤┓绞降牟煌淖儭４送?，?yīng)當理解，這種研發(fā)努力可能很復(fù)雜且費時，但是對于從本公開受益的普通技術(shù)人員而言，這可能是設(shè)計、制造和生產(chǎn)的例行任務(wù)。
[0019]在介紹本發(fā)明的各種實施例的時，冠詞“一個”、“一種”、“該”和“所述”旨在表示有一個或多個要素的意思。術(shù)語“包括”、“包含”和“具有”旨在是包括性的，并且表示還可以具有除列舉的要素以外的附加要素。
[0020]本文所述的GMAW系統(tǒng)的實施例可以至少部分地基于供應(yīng)到電極的焊接電流和焊接電壓中的感測到的變化來控制電極與工件之間的電弧長度。GMAW系統(tǒng)(例如，脈沖GMAW系統(tǒng))的控制電路可以在變化到脈沖峰值或從脈沖峰值變化期間從感測到的電壓和電流確定電弧長度。供應(yīng)到電極的焊接電壓具有多個分量，例如，跨電極的電壓、降落電壓和跨電弧長度的電弧電壓。電弧電壓可以與電弧長度直接相關(guān)。控制電路利用觀測到的焊接電流和焊接電壓隨著各種電弧參數(shù)對應(yīng)的測試數(shù)據(jù)的變化(例如，在脈沖的斜升或斜降期間)以通過從焊接電壓減去其他分量的影響來確定電弧電壓?？刂齐娐房梢詮拿}沖的斜升或斜降部分期間感測到的電壓和電流確定電極電阻以確定跨電極的電壓。使用控制數(shù)據(jù)以及觀測到的焊接電流和焊接電壓，控制電路可以確定降落電壓、電弧電壓和電弧長度?？刂齐娐房梢詫⒋_定的電弧長度與電弧長度設(shè)定進行比較，并且控制電源和/或送絲機以至少部分地基于確定的電弧長度與電弧長度設(shè)定之間的差值來調(diào)節(jié)影響電弧長度的電弧參數(shù)。因此，控制電路可以確定電弧長度并且在閉環(huán)控制中控制電弧長度。
[0021]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖，并且首先參見圖1，焊接系統(tǒng)被圖示為包括通過導(dǎo)體或?qū)Ч?4彼此連接的電源10和送絲機12。在圖示的實施例中，電源10與送絲機12分開，使得送絲機12可以在焊接位置附近位于距電源10的一定距離處。然而，應(yīng)當理解的是，在一些實施方式中，可以與電源10—體化。在這些情況下，導(dǎo)管14將在系統(tǒng)內(nèi)部。在送絲機12與電源10分開的實施例中，端子通?？梢栽O(shè)置在電源10和送絲機12上以允許導(dǎo)體或?qū)Ч?4與系統(tǒng)連接以允許電力和氣體從電源10被提供到送絲機12，并且允許在兩個設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)。
[0022]系統(tǒng)被設(shè)計成提供焊絲、電力和保護氣體到焊炬16。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的那樣，焊炬可以具有許多不同的類型，并且通常允許供給焊絲和氣體到將要形成焊點以接合兩個或更多個金屬件的緊鄰工件18的位置。第二導(dǎo)體(例如，夾具58)通常延伸到焊接工件18以便補足電源10與工件18之間的電氣回路。
[0023]系統(tǒng)被設(shè)計成允許操作員，特別是通過設(shè)置在電源10上的操作界面20，來選擇數(shù)據(jù)設(shè)定(例如，焊接參數(shù)、電弧長度)。操作界面20通常納入到電源10的前面板中，并且可以允許選擇設(shè)定。焊接參數(shù)可以包括以下討論的電弧參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)參數(shù)可以包括背景和峰值電流及電壓、脈沖頻率、脈沖周期等。電弧參數(shù)可以包括電極尺寸、類型和材料、送絲速度、保護氣體成分等。具體地，焊接系統(tǒng)被設(shè)計成允許使用通過焊炬16開槽的各種鋼焊絲、鋁焊絲或其他焊絲的MIG焊接。這些焊接參數(shù)被傳遞至電源10內(nèi)的控制電路22。系統(tǒng)可以特別地被適配成實施被設(shè)計成用于某些電極類型(例如，實心電極和/或藥芯電極)的焊接體系。
[0024]控制電路22，以下更詳細地描述，運行以控制從電源10輸出的焊接電力的產(chǎn)生，該焊接電力施加在用于執(zhí)行所需的焊接操作的焊絲上。在某些當前設(shè)想的實施例中，例如，控制電路22可以被適配成調(diào)節(jié)GMAW-P體系，該GMAW-P制度在焊絲的尖端與工件18之間維持基本上恒定的電弧長度。例如，控制電路22可以將電弧長度維持在電弧長度設(shè)定的閾值長度內(nèi)。閾值長度可以在電弧長度設(shè)定的大約I %、5%或10%內(nèi)?？刂齐娐?2可以確定在提供到焊炬16的脈沖波形期間的電弧長度，并且通過閉環(huán)控制系統(tǒng)控制在同一脈沖波形或后續(xù)脈沖波形期間的電弧長度。控制電路22出于測量目的可以在不改變(例如，誘發(fā)擾動)脈沖波形的情況下從感測到的脈沖波形的電壓和電流確定電弧長度，如本文描述的那樣。此外，在一些實施例中，控制電路22可以在斜升期間以及在控制脈沖波形到達峰值之前確定電弧長度?？刂齐娐?2可以感測焊炬16與工件18之間的電壓，并且至少部分地基于跨焊絲的電壓變化、陰極降落電壓和陽極降落電壓中的一種或多種確定電弧電壓和電弧長度。在一些實施例中，控制電路22可以指導(dǎo)電源10提供脈沖波形以在脈沖波形的峰值部分期間維持基本上恒定的電弧長度的同時促進熔化金屬到前進的熔池的短路轉(zhuǎn)移。
[0025]在“短路”模式中，熔化的材料的熔滴在焊接電弧的加熱的影響下形成在焊絲上，并且這些熔滴通