使用高頻脈沖和負極性的電弧焊機的制作方法
【專利說明】使用高頻脈沖和負極性的電弧焊機
[0001]本發明涉及使用氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)工藝的電弧焊技術，更特別地，涉及創建高頻電流脈沖串來形成一系列構成焊接加工的焊接循環的GMAW電弧焊機。更特別地，本發明涉及分別根據權利要求1和9的序言的一種電弧焊機以及電弧焊接方法。
[0002]通過引用的并入
[0003]下面的專利包括涉及當前申請主題的背景信息，并且還通過引用被整體并入本文:美國專利N0.4，994，646，美國專利N0.5，643，479，美國專利N0.5，667，709，美國專利N0.6，515，259，美國專利N0.6，683，278，美國專利N0.7，166，818以及日本專利N0.58-176074。
[0004]發明背景
[0005]當外觀重要時，脈沖AC或可變極性的氣體保護鎢極電弧焊(GTAW)可以被用來焊接鋁。在該過程中，電流的調制起作用來交替地膨脹和冷卻熔池，因此在焊道中創建一系列有時被稱為“堆疊幣狀體(stacked dimes) ”外觀的裙皺(ridges)。為了加速過程超過GTAW過程的速率，GMAW已經常常被使用，但獲得“堆疊幣狀體”焊縫外觀有困難。為經由GMAW焊接替代GTAW焊接來獲得類似的“堆疊幣狀體”焊縫外觀，操作者可以在接頭中向前/向后拖曳焊炬。盡管拖曳可以導致期望的堆疊幣狀體外觀，這種拖曳要求操作者迅速地操控焊炬，導致不如直線前進一樣快并且產生不一致的結果的工藝。用GMAW獲得“堆疊幣狀體”外觀的另一種辦法是脈沖波形的參數的調制，以獲得焊接循環的高能量和低能量部分。高能量部分向焊接熔池/池遞送高熱量，而低能量部分向焊接熔池遞送相對低的熱量。焊接循環的高能量部分可以使焊接熔池的尺寸膨脹，而焊接循環的低能量部分可以允許熔池冷卻和收縮，創建與“堆疊幣狀體”外觀相關聯的褶皺。雖然該方法有效，為了獲得期望的焊道外觀，要求脈沖參數中的顯著差異，常常導致高能量段中的飛濺和低能量段中的熄滅。還有一個辦法是協同地調制絲送進速率以調制熱量并且獲得期望的“堆疊幣狀體”外觀。絲送進速率(與相關聯的脈沖參數一起)的調制可以是有效的并且可以獲得期望的焊道形狀，但要求行進速度減速，因為導致的沉積速度被低能量部分顯著地減低。因此，需要這樣的工藝，所述工藝提供有吸引力的“堆疊幣狀體”焊道形狀外觀并且以類似于穩定狀態的GMAW過程的速度被實現。
【發明內容】
[0006]本發明提供包括根據權利要求1的高速開關電源供應器和波形發生器的電弧焊機，所述高速開關電源供應器具有控制器，用于創建通過在工件和朝工件推進的焊絲之間的空隙的高頻電流脈沖，所述波形發生器限定所述高頻電流脈沖的形狀以及所述高頻電路脈沖的極性，并且其中所述高頻電流脈沖中的至少一個包括負極性電流。本發明進一步提供根據權利要求9的電弧焊接方法。進一步的實施方案是可從隨后的說明書、附圖和權利要求書中導出的。
[0007]本發明的說明不以任何方式或權利要求書或發明的范圍來限制權利要求書中使用的詞語。權利要求書中使用的詞語具有其全部的普通含義。
[0008]附圖簡要說明
[0009]在被并入說明書并且構成說明書的一部分的附圖中，本發明的實施方案與上面給出的發明的一般描述一起被圖示說明，并且下面給出的詳細的說明用來例示本發明的實施方案。
[0010]圖1是用于執行本發明實施方案的示例性組合框圖和系統架構；
[0011]圖1A是本發明實施方案中的示例性馬達控制器的電路圖；
[0012]圖2A是本發明實施方案的示例性可變極性開關的電路圖；
[0013]圖2B是圖2A中示出的示例性可變極性開關的簡化電路圖；
[0014]圖2C是另一個示例性可變極性開關的另一個簡化電路圖；
[0015]圖2D是修改圖2中不出的系統的不例性子程序的接線圖和框圖；
[0016]圖3是圖示說明在本發明示例性實施方案中使用的高頻脈沖和負極性分量的電流圖；
[0017]圖4是獲取圖3中的高頻脈沖和負極性分量并且用以實施圖1中示出的實施方案的邏輯圖和流程圖；
[0018]圖5是對圖4的流程圖的示例性添加的邏輯圖和流程圖；
[0019]圖6是如圖1中示出的本發明實施方案的示例性修改的流程圖和系統架構；
[0020]圖7、圖7A、圖7B和圖7C是本發明進一步的示例性實施的框圖，其中脈沖頻率和絲送進速度二者由圖7A中示出的查找表協調，以產生圖7B和圖7C中的圖形示出的結果；
[0021]圖8是用于與圖7中圖示說明的本發明實施方案一起使用的類似于圖4的邏輯圖和流程圖；
[0022]圖9是用于實現如圖3中示出的本發明示例性實施方案，并且按照圖式圖示說明圖1的調制輸入的框圖和邏輯網絡；
[0023]圖10-16是示出具體通過圖9的圖和邏輯網絡的使用來調制的高頻脈沖和負極性分量的示例性電流曲線；以及
[0024]圖17是圖示說明本發明針對兩個波形之間轉換所預期的焊接系統和方法的示例性實施例的框圖。
[0025]詳細描沐
[0026]現在參照附圖，附圖僅為圖示說明本發明的示例性實施方案的目的，而不是為限制本發明的示例性實施方案的目的，圖1公開具有一般地標準配置的示例性焊機A，焊機A包括諸如逆變器或降壓變換器的高速開關電源供應器10，高速開關電源供應器10具有通過可變極性開關16的方式將電流脈沖引導到電極E的輸入整流器12和輸出變壓器14。各種示例性可變極性開關16在下面的圖2A-2C中被描述。電極E包括鋁絲20，鋁絲20來自線軸或卷筒22并且通過馬達(M) 32的動作由送進器30朝工件W推進。馬達32由馬達控制器31控制。示例性的馬達控制器在圖1A中被示出，其中脈沖寬度調制器(PWM)34在反饋轉速器(tachometer，TACH) 36和運算放大器40的引導下控制馬達32并且因此送進器30的速率，所述運算放大器40用于將來自轉速器36的輸入42與以在線44上的水平的形式的命令絲送進速率(WFS)信號相比較。其他馬達控制器31也可以被使用。回頭參照圖1，由于鋁電極或焊絲E朝工件W推進，通過與本底電流相結合的一系列電流脈沖，電弧跨空隙g被創建。
[0027]現在參照示例性的電源供應器，逆變器階段包括開關型逆變器10，開關型逆變器10被提供有來自三相電壓源L1-L3的電源，三相電壓源L1-L3根據當地線頻率具有50Hz或60Hz的頻率。AC輸入電壓被整流器12整流以提供被引導到逆變器10的輸入的DC鏈接11。輸出，或逆變器10的負載是具有初級繞組15a和次級繞組15b的變壓器14，所述初級繞組15a和次級繞組15b具有接地的中心抽頭17。次級繞組15b被引導到可變極性開關16，以創建連接到電極E和工件W的輸出線24、26。
[0028]可變極性開關16可以是能夠在輸出線24、26處創建交替的極性信號的任何開關裝置。例如，圖2A示出具有正整流器電路28的示例性可變極性開關16，正整流器電路28具有創建正輸出端子38和負輸出端子46的二極管D1、D2、D3和D4，正輸出端子38和負輸出端子46連接到輸出開關網絡48。輸出開關網絡48包括兩個晶體管型開關SWl和SW2，所述開關通常以絕緣柵雙極晶體管(IGBTs)的形式，所述開關可以根據基極線55、56上的邏輯而被開啟或關閉。為了耗散當開關SW1、SW2被關閉時的高電壓，緩沖器(snubber，SN)網絡57、58跨開關SWl、SW2被連接。網絡48可以被用于基本上超過200安培的脈動的高焊接電流。單輸出感應器被分為正脈沖區(sect1n) 74和負脈沖區76。以這種方式，AC電流在連接到電極E和工件W的輸出線24、26中被創建。通過接連地交替基極控制線55、56上的邏輯，交替的電流被施加于包括電極E和工件W的焊接電路。圖示說明變壓器14、整流器電路28、開關網絡48以及感應器72的簡化電路在圖2B中被示出。
[0029]在另一個實施方案中，可變極性開關16可以包括如圖2C中示出的簡化電路，圖示說明變壓器14a、整流器28a以及開關網絡48a的開關SW1、SW2、SW3和SW4。在這個實施方案中，當SWl和SW4被開啟時，電弧是正極性的，并且當SW2和SW3被開啟時，電弧是負極性的。
[0030]如圖1中示出的，通過使用可變極性開關16，受控制的高頻交替電流在電極E處被創建。高頻由邏輯在基極控制線55、56上交替的頻率確定。這些線上的邏輯可以由在例如波形發生器或波成形器中的微處理器處理的軟件程序或子程序來生成。示例性程序的框圖在圖2D中被示出，并且可以與各種可變極性開關和開關網絡(包括上面提到的那些)合并。
[0031]參照圖2D，示例性脈沖發生器91、觸發器93以及開關網絡94被示出。觸發器93是在基極控制線55、56中以期望的高頻產生交替邏輯的軟件程序。觸發器93控制開關網絡94 (例如，圖2A和圖2B的開關網絡或圖2C的開關網絡)以高頻交替開關，以產生開關網絡94的高頻輸出。線55、56中的邏輯是觸發器93的非同時發生的端子95、96的輸出。這些端子上的邏輯是根據在置位端子97或復位端子98之一處的邏輯來交替的。為改變線55,56上的邏輯，端子97、98上的邏輯以由脈沖發生器91確定的頻率反轉。這是用于交替線55、56上的邏輯的高頻，這一高頻是在電極E處的焊接電流的頻率。脈沖發生器91的輸出是線99a上的邏輯，線99a連接到置位端子97并且通過逆變器99b連接到復位端子98。在脈沖發生器91的輸出處的正脈沖置位觸發器93以在線55中創建邏輯I。在脈沖發生器91的輸出處的邏輯O具有反轉的作用并且在端子98處創建邏輯I，并且因此在逆變的輸出端子96處創建邏輯I以在線56中產生邏輯I。線55或線56中的邏輯I開啟開關網絡94(例如，圖2A和圖2B的開關網絡48或圖2C的開關網絡48a)的相關聯的開關。當邏輯I轉換到相對的輸出線時，所述開關立刻關閉。
[0032]回頭參照圖1，電弧電流被傳感器52讀取以在表征電弧電流Ia的線52a中創建電壓。以相似的方法，電弧電壓被傳感器54感測以在表征電弧電壓Va的線54a上創建電壓。依照標準慣例，作為控制器60呈現的數字處理裝置被連接到電源供應器10，以依照反饋電流和/或電壓來創建脈沖。控制器60被圖示說明為包括由振蕩器(oscillator，0SC) 64驅動的脈沖寬度調制器62，振蕩器64具有超過10kHz的頻率。脈沖寬度調制器在振蕩器的每個輸出期間產生電流脈沖。脈沖寬度確定電流脈沖的幅度。焊接循環期間的電流水平包括許多來自脈沖寬度調制器62的脈沖，所以電流跟隨線66上的電壓(被圖示說明為誤差放大器68的輸出)，誤差放大器68也接收線70上的命令信號。如到目前為止所描述的，焊機A是具有控制電流脈沖的波形的控制器60和控制開關和極性的可變極性開關16的焊機，二者有助于限定在空隙g處的焊接循環，被稱為焊接電弧。線70上的電壓確定焊接過程的電流脈沖的輪廓(profile)、形狀(shape)或等高線(contour)。如被由林肯電氣公司(The Lincoln