某些實(shí)施例涉及電弧焊接。更具體地，某些實(shí)施例涉及用于交流(AC)焊接的飛濺得到減少的系統(tǒng)。更具體地，某些實(shí)施例涉及一種焊接系統(tǒng)，該焊接系統(tǒng)包括電源，該電源提供呈具有多個(gè)相位的選定波形的交流電，其中，波形提供電極接正箍縮電流和分離相位、后續(xù)負(fù)極性峰值、收尾、和本底相位，并且在下一個(gè)短路事件之前切換至電極接正相位。

簡(jiǎn)要概述

本焊接系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例包括焊接電源，該焊接電源提供呈具有一組正部和負(fù)部的選定波形的交流電，該負(fù)部由峰值、收尾、和本底相位組成，而該正部由峰值、收尾、和本底組成；其中，該電源在箍縮相位期間提供斜升電流，在由峰值、收尾、和本底相位組成的負(fù)部期間切換至電極接負(fù)電流，并且切換至后續(xù)電極接正部；其中，該正部可以在下一個(gè)短路事件之前重復(fù)。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該波形是表面張力過(guò)渡波形。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該波形是GMAW波形。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該焊接電源包括波形發(fā)生器，該波形發(fā)生器被適配成用于提供所選定的波形，其中，該波形發(fā)生器被適配成用于基于預(yù)測(cè)模型基于dv/dt、阻抗、以及定時(shí)器中的至少一者檢測(cè)短路狀態(tài)(即，頸縮)的結(jié)束，其中，該電源在檢測(cè)到該短路結(jié)束時(shí)切換至該電極接負(fù)電流。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，當(dāng)電極接正時(shí)，該焊接電源提供該箍縮電流。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該波形包括分離相位，并且其中，該焊接電源在該分離相位期間使用電極接正電流重新點(diǎn)燃電弧。根據(jù)該系統(tǒng)的另外一個(gè)實(shí)施例，在該分離相位之后，該波形切換至電極接負(fù)電流，該電極接負(fù)電流被適配成用于產(chǎn)生噴射力，該噴射力被適配成用于將該電極的遠(yuǎn)端推離焊接熔池。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該波形進(jìn)一步包括在該箍縮相位之前的本底相位和濕入(wet in)相位，其中，該本底相位和濕入相位是電極接正，該本底相位比該濕入相位處于更高的安培數(shù)。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該焊接電源在該濕入相位期間提供從大約20amp到大約40amp的電流。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，在該負(fù)極性本底相位期間，該焊接電源提供在大約40amp到80amp范圍內(nèi)的電流。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，在該正極性本底相位期間，該焊接電源提供在大約40amp到80amp范圍內(nèi)的電流。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，在該負(fù)極性峰值電流相位期間，該焊接電源提供在大約150amp到350amp范圍內(nèi)的電流。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該焊接電源提供在大約50amp到300amp范圍內(nèi)的均方根(RMS)電流。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該一個(gè)或多個(gè)脈沖中的每個(gè)脈沖具有在大約0.5毫秒到2毫秒范圍內(nèi)的時(shí)長(zhǎng)。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該負(fù)部在該箍縮相位之后發(fā)生并且通過(guò)分離相位與該箍縮相位分開。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該負(fù)收尾相位包括遞減的電極接負(fù)電流。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該焊機(jī)電源包括與狀態(tài)函數(shù)發(fā)生器通信的控制器、與該狀態(tài)函數(shù)發(fā)生器通信的數(shù)字信號(hào)處理器、與該數(shù)字信號(hào)處理器通信的逆變器，其中，該逆變器電連接至電源、開關(guān)電路和減流器。

根據(jù)該系統(tǒng)的另外一個(gè)實(shí)施例，該開關(guān)電路是H橋極性開關(guān)。

根據(jù)該系統(tǒng)的另外一個(gè)實(shí)施例，該狀態(tài)函數(shù)發(fā)生器電連接至焊炬和工件中的至少一者以接收該焊炬和該工件的電壓或電流反饋。

本焊接系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例包括焊接電源，該焊接電源被適配成用于向電極提供呈選定波形的交流電；其中，該電極是耗材，并且其中，該波形包括一個(gè)或多個(gè)相位，在該一個(gè)或多個(gè)相位期間，該電極在其外露端產(chǎn)生熔融熔滴，其中，當(dāng)該熔融熔滴從該電極上分離時(shí)，該電極與工件之間發(fā)生短路；該焊接電源被適配成用于檢測(cè)該短路并且在該熔融熔滴過(guò)渡到該工件上之后向該電極提供電極接負(fù)峰值電流；其中，該焊接電源產(chǎn)生將朝向工件推動(dòng)由該熔融熔滴形成的熔池的噴射力。

根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，該波形是表面張力過(guò)渡波形。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，電弧焊接工藝可以是使用例如氬和CO₂作為保護(hù)氣體、或使用CO₂自己的氣體保護(hù)金屬電弧焊接(GMAW)工藝。焊接電極可以包括鋼或不銹鋼。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，本底電流電平可以是大約70amp，峰值電流電平可以是大約330amp，并且中間電流電平可以是大約210amp。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，增熱電流脈沖的預(yù)定義脈沖率可以是大約333Hz，并且電弧焊接工藝的焊絲進(jìn)給速度可以是大約每分鐘150英寸。

根據(jù)另外一個(gè)實(shí)施例，一種用于通過(guò)產(chǎn)生電焊波形以在推進(jìn)峰值電流焊接電極與金屬工件之間產(chǎn)生一系列電弧脈沖從而進(jìn)行電弧焊接過(guò)程的焊接系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生交流電的第一電子部件配置，該第一電子部件配置在所述電焊波形的本底電流相位、相位、和收尾電流相位中提供交流電，其中，所述本底電流相位提供本底電流電平，所述峰值電流相位提供峰值電流電平，所述收尾電流相位提供遞減的收尾電流電平；用于產(chǎn)生所述電焊波形的箍縮電流相位的第二電子部件配置，其中，所述箍縮電流相位提供遞增箍縮電流電平；以及用于響應(yīng)于所述電極與所述工件短路在所述本底電流相位結(jié)束時(shí)將所述電焊波形的電流電平減小到低于所述本底電流電平的第三電子部件配置，其中，所述第三電子部件配置施加電極接正電流從而在所述電極短路之后重新點(diǎn)燃該電??；并且其中，所述第一電子部件配置在該峰值電流相位期間提供電極接負(fù)電流。

所要求保護(hù)的本發(fā)明的這些和其他特征及其所展示的實(shí)施例的細(xì)節(jié)將從以下描述和附圖中得到更全面理解。

附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的焊接系統(tǒng)的局部示意圖；

圖1A是根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的焊接系統(tǒng)的局部示意圖，其中，氣體源流體連接至焊炬從而為焊接操作提供氣體保護(hù)；

圖1B是根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的焊接系統(tǒng)的局部示意圖，其中，提供了熔劑源；

圖2是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的焊接系統(tǒng)的電路圖；

圖3是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的焊接系統(tǒng)中使用的電弧焊接波形的周期的圖示；

圖4是在圖3描繪的周期期間由根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的焊接系統(tǒng)進(jìn)行的電弧焊接過(guò)程的各階段的圖示；

圖5是描繪了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的焊接系統(tǒng)的操作的流程圖；

圖6是描繪了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的焊接系統(tǒng)的功能框圖；

圖7是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的電極的局部示意圖，描繪了從電極朝向工件上的焊接熔池的、使用交流電源波形創(chuàng)造的電子流產(chǎn)生的噴射力；并且

圖8是類似于圖7的電極的局部示意圖，描繪了使用直流電源的電極的電子流。

詳細(xì)說(shuō)明

參照?qǐng)D1，示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的焊接系統(tǒng)100。焊接系統(tǒng)100通常包括向用于形成焊接點(diǎn)的器具140提供電流的焊接電源120。電源120可以包括在130總體指示的控制器，該控制器具有輸出端132，如顯示屏、LED、或其他用于將信息傳遞給使用者或另一個(gè)設(shè)備的視覺設(shè)備、音響設(shè)備、或觸覺設(shè)備。電源120還可以包括從外部源接收命令或其他信息的輸入端134。輸入端可以連接至另一個(gè)機(jī)器、懸吊控制器、或機(jī)載控件，如旋鈕、開關(guān)、小鍵盤等等。來(lái)自外部源(包括使用者)的輸入可以用于選擇焊接工藝或在執(zhí)行焊接操作過(guò)程中使用的定制設(shè)置、或與具體耗材或焊接器具140相關(guān)的設(shè)置。

焊接器具140可以是焊炬142。電源120電連接至由器具140提供的電極150，包括但不限于自耗電極，如推進(jìn)焊絲、焊條等等。電源120通過(guò)接地電纜夾157等等進(jìn)一步連接至工件210，從而形成焊接電路160。

在圖1所示的實(shí)例中，在170總體指示的焊絲進(jìn)給器連接至焊炬142，以便將將焊絲172從焊絲源174(如線軸、盒或其他包裝)通過(guò)焊炬142遞送向工件210。如圖1A中所示，還提供了氣體源180并且其流體連接至焊炬以便為在182指示的焊接操作提供氣體保護(hù)。圖1B示出了又另一個(gè)實(shí)施例，其中，提供了熔劑源190用于需要遞送熔劑的埋弧焊或其他焊接操作。應(yīng)理解，圖中所示的實(shí)施例的不同部件可以根據(jù)給定應(yīng)用的需要進(jìn)行組合或互換。

圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的電源120的細(xì)節(jié)的電路圖。示意性示出了與電源120電連接的推進(jìn)電極150朝向工件210送進(jìn)。用于產(chǎn)生電焊波形周期300(圖3)的系統(tǒng)100的一個(gè)示例性實(shí)施例。系統(tǒng)100是如本文中所描述的狀態(tài)機(jī)類型的系統(tǒng)。林肯電氣公司功率波TM S500系統(tǒng)是狀態(tài)機(jī)類型的焊接系統(tǒng)的實(shí)例。

系統(tǒng)100包括位于基于狀態(tài)的函數(shù)發(fā)生器420上的焊接程序410。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，基于狀態(tài)的函數(shù)發(fā)生器420包括可編程的微處理器裝置。焊接程序410包括用于生成電焊波形300的軟件指令。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括操作性地接口連接至基于狀態(tài)的函數(shù)發(fā)生器420上的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)430。該系統(tǒng)還包括操作性地接口連接至DSP 430上的高速放大器逆變器440。

DSP 430從基于狀態(tài)的函數(shù)發(fā)生器420取其指令并且控制高速放大器逆變器440。高速放大器逆變器440根據(jù)來(lái)自DSP 430的控制信號(hào)435使高壓輸入功率441變換成低壓焊接輸出功率。例如，根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例，DSP 430提供控制信號(hào)435，這些控制信號(hào)確定高速放大器逆變器440的點(diǎn)火角(開關(guān)激活的定時(shí))來(lái)產(chǎn)生電焊波形的各個(gè)相位。

高速放大器逆變器440的輸出442和443分別操作性地連接至焊接電極150和工件210上以提供在電極150和與工件210之間形成電弧EA的焊接電流。系統(tǒng)100還包括感測(cè)電極150與工件210之間的電壓并且感測(cè)流過(guò)電極150、工件210和高速放大器逆變器440形成的焊接電路的電流的電壓和電流反饋能力470。基于狀態(tài)的函數(shù)發(fā)生器420使用所感測(cè)到的電流和電壓來(lái)檢測(cè)電極150至工件210的短路(即，短路狀況)并且檢測(cè)熔化的金屬球?qū)⒁螘r(shí)從電極150箍斷(即，短路消除狀況)。

系統(tǒng)100進(jìn)一步包括以下更完整描述的減流器開關(guān)482。減流器480操作性地連接在高速放大器逆變器440的輸出442與443之間。減流器480還操作性地接口連接至DSP 430上。當(dāng)電極150與工件210之間發(fā)生短路狀況時(shí)，DSP 430經(jīng)由控制信號(hào)436命令減流器480將通過(guò)焊接電流的電流電平拉到低于預(yù)定義的本底電流電平。例如，如所示，減流器480可以包括彼此操作用于將電阻器484選擇性地添加到操作性電路中以減少到達(dá)電極150的電流的開關(guān)482A和482B以及電阻器484。類似地，當(dāng)短路消除狀況(在此又稱為分離)發(fā)生(即，熔化的金屬球從電極150的遠(yuǎn)端箍斷)時(shí)，DSP 430命令減流器480將通過(guò)焊接電路的電流電平拉到低于預(yù)定義的本底電流電平。極性的控制(即，電極接正或電極接負(fù)電流的施加)可以由在490總體指示的極性控件來(lái)調(diào)節(jié)。例如，極性控制器490可以包括H橋極性開關(guān)492或能夠控制電流極性的其他合適的固態(tài)部件或可編程控制器。

圖3展示了在電弧焊接過(guò)程200中使用的電焊波形305的周期300的示例性實(shí)施例。圖4展示了在使用圖3中的電弧焊接波形的周期300內(nèi)電弧焊接過(guò)程的各個(gè)階段(A-E)，示出了焊接電極150與金屬工件210之間的關(guān)系。在電弧焊接過(guò)程中，焊接系統(tǒng)100提供呈選定波形305的電流以產(chǎn)生電弧脈沖。一般而言，周期300在電弧焊接過(guò)程中定期重復(fù)以產(chǎn)生所得焊接點(diǎn)。然而，如以下更完整描述的，可以在沒有相同數(shù)量的脈沖和可能沒有周期300內(nèi)的某些相位的情況下重復(fù)周期300。

電焊波形305的周期300包括提供正極性本底電流電平311的正極性本底電流相位310、提供單調(diào)遞增的箍縮電流電平321的正箍縮電流相位320、提供負(fù)極性峰值電流電平331的負(fù)極性峰值電流相位330、以及提供遞減的收尾電流電平341的負(fù)收尾電流相位340。

在正極性本底電流相位310期間，電弧EA維持在電極150與工件210之間，從而在電極150的遠(yuǎn)端155上產(chǎn)生熔化的金屬球220(參見圖4中的階段A)。在階段B，仍然連接至電極150上的熔化的金屬球220短路連接至工件210。當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，電弧EA熄滅并且波形305的電流電平下降到低于本底電流電平311，達(dá)到電流電平312，從而允許熔化的球220變濕進(jìn)入工件210上的熔池中。根據(jù)圖3中描繪的實(shí)施例，當(dāng)熔化的金屬球220短路并分離時(shí)，焊接系統(tǒng)100向電極150提供電極接負(fù)電流。

在正極性箍縮電流相位320期間，波形305的電流電平單調(diào)遞增(例如，斜坡式上升)到高于本底電流電平311，從而提供遞增箍縮電流電平321，該箍縮電流電平引起短路的熔化的金屬球220開始從電極150的遠(yuǎn)端箍斷進(jìn)入工件210的熔池中，如圖4中的階段C所示。當(dāng)熔化的金屬球220將要從電極150箍斷時(shí)，波形305的電流電平再次下降到低于本底電流電平311達(dá)到避免飛濺的電流電平314，并且在電極150與工件210之間重新建立電弧EA。

一旦重新建立電弧EA，波形305進(jìn)入負(fù)極性峰值電流相位330。在負(fù)極性峰值電流相位330期間，波形305的電流電平增加到并且保持在負(fù)極性峰值電流電平331。根據(jù)實(shí)施例，峰值電流電平331通常是波形305的最高電流電平并且在電極150與工件210之間建立具有足夠強(qiáng)度的電弧EA從而開始在電極150的遠(yuǎn)端形成下一個(gè)熔化的金屬球220。

在負(fù)極性峰值電流相位330之后，波形305進(jìn)入負(fù)極性收尾電流相位340。在負(fù)極性收尾電流相位340期間，波形305的電流電平向負(fù)本底電流電平341減小，從而提供遞減的收尾電流電平。在所示實(shí)例中，收尾遞減以指數(shù)方式進(jìn)行(圖3)。波形305的電流將熱量輸入到焊接點(diǎn)中。

在負(fù)本底電流341之后，進(jìn)入正極性部，從而提供正極性電流。在正極性部期間，產(chǎn)生至少一個(gè)增熱電流脈沖，從而提供振幅介于本底電流電平311與負(fù)極性峰值電流電平331之間的中間電流電平351。增熱電流脈沖可以在正極性部?jī)?nèi)周期性進(jìn)行重復(fù)直至熔化的金屬球220與工件210之間發(fā)生下一個(gè)短路，此時(shí)，電弧EA熄滅并且波形305的電流電平下降到低于本底電流電平311達(dá)到電流電平312，從而允許下一個(gè)熔化的球220變濕進(jìn)入工件210上的熔池中(階段B)。

增熱電流脈沖350用于重新加熱該熔池和周圍區(qū)域以增加穿透。增熱電流脈沖350提供的這種熱量增加在例如焊接開根點(diǎn)時(shí)是令人期望的，以便提供更好的穿透而不增加熔池的流動(dòng)性。增熱脈沖關(guān)于橫跨電弧過(guò)渡熔滴在振幅上沒那么大并且關(guān)于促使高于短電弧的焊接系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成球狀過(guò)渡在脈寬上沒有那么寬。再次，一般而言，周期300在電弧焊接過(guò)程中定期重復(fù)以產(chǎn)生所得焊接點(diǎn)。然而，周期300可以在沒有相同數(shù)量的增熱脈沖350的情況下并且如果沒有發(fā)生短路可能在沒有箍縮電流相位320的情況下進(jìn)行重復(fù)。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，波形305用于進(jìn)行表面張力過(guò)渡過(guò)程(STT)，其中，熔融熔滴形成在電極150的末端并且變濕進(jìn)入工件210或焊接熔池。在其他實(shí)施例中，STT過(guò)程不依賴于拉動(dòng)焊道，并且通過(guò)在電弧EA產(chǎn)生的電磁力從遠(yuǎn)端射出焊道。在此描述的實(shí)施例可以用于任何焊接工藝，包括MIG/MAG、GMAW、SMAW、FCMAW等等。

參照?qǐng)D3，電源120在正極性本底相位310期間提供正極性本底電流311。參照?qǐng)D2，濕入相位包括斷開以下更完整描述的開關(guān)482，從而增大電阻和減小到熔滴的電流。熔滴變濕進(jìn)入工件或由之前的熔滴形成的焊接熔池。濕入相位的安培數(shù)總體上低于本底電流并且根據(jù)具體硬件(即，工件材料、電極材料和電源)而不同。在所示實(shí)例中，濕入安培數(shù)在大約20amp到大約40amp的范圍內(nèi)。濕入相位的時(shí)長(zhǎng)可以不同以允許熔滴足夠的時(shí)間變濕進(jìn)入熔池或工件。在濕入之后，閉合開關(guān)以減少電阻和逐步提高電流電平以開始箍縮相位。如所討論的，箍縮相位包括斜升電流以箍斷熔融熔滴并且將其從電極150的遠(yuǎn)端射出。

舉例來(lái)講，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，電弧焊接工藝是使用氬和二氧化碳作為在STT過(guò)程中應(yīng)用的保護(hù)氣體的氣體保護(hù)金屬電弧焊接(GMAW)工藝。本底電流電平311是大約70amp，峰值電流電平331是大約330amp，并且中間電流電平351是大約210amp。單個(gè)增熱脈沖350的脈寬是大約1毫秒并且可以大約每3毫秒重復(fù)一次，直到本底電流相位310期間的三到六個(gè)脈沖。周期300的時(shí)長(zhǎng)是大約15毫秒。

圖6展示了用于產(chǎn)生圖1中的電焊波形305的系統(tǒng)600的第一示例性實(shí)施例的功能框圖。系統(tǒng)600提供發(fā)電能力(通過(guò)交流電源610)和用于產(chǎn)生調(diào)制波形305’的調(diào)制波形發(fā)生和成形能力620。系統(tǒng)600還在短路檢測(cè)器/短路消除預(yù)測(cè)器630提供短路檢測(cè)和征兆檢測(cè)(短路消除預(yù)測(cè))能力以檢測(cè)電極150與工件610之間何時(shí)發(fā)生短路狀況并且當(dāng)熔化的金屬球(例如，220)箍斷進(jìn)入工件210上的熔池中時(shí)預(yù)測(cè)短路狀況將要何時(shí)終止(短路消除狀況)。

調(diào)制波形發(fā)生和成形能力620所產(chǎn)生的調(diào)制波形305’用于調(diào)制發(fā)電能力610，該發(fā)電能力以電焊波形305的形式向電極150和工件210提供電流。調(diào)制波形發(fā)生和成形能力620包括周期性基本波形發(fā)生能力621。圖3和圖4展示了圖6中的系統(tǒng)600的不同能力所產(chǎn)生的調(diào)制波形305’的各部分的示例性實(shí)施例。圖3展示了周期性基本波形發(fā)生能力621產(chǎn)生的周期性基本波形周期300。周期性基本波形發(fā)生能力621以周期性方式提供調(diào)制波形305’的本底電流相位310、峰值電流相位330、和收尾電流相位340的發(fā)生。

調(diào)制波形發(fā)生和成形能力620還包括箍縮電流相位發(fā)生能力622。圖3展示了具有箍縮電流相位320的周期性基本波形部300。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以使用調(diào)制波形發(fā)生和成形能力620的信號(hào)求和能力623來(lái)將箍縮電流相位320與周期性基本波形部300求和。

調(diào)制波形發(fā)生和成形能力620包括具有峰值、收尾、和本底電流發(fā)生能力624A的負(fù)極性部。圖3展示了具有處于電平341的峰330、收尾340和本底的周期性負(fù)極性部。

調(diào)制波形發(fā)生和成形能力620進(jìn)一步包括具有正峰值、收尾、和本底相位的正極性部624B，被稱為增熱脈沖發(fā)生能力。圖3進(jìn)一步展示了具有增熱脈沖350、在負(fù)極性部之后切入的周期性正極性部。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以使用調(diào)制波形發(fā)生和成形能力620的信號(hào)切換能力625在本底電流相位310期間切入增熱電流相位350。

調(diào)制波形發(fā)生和成形能力620還包括子本底電流電平發(fā)生(減流)能力626。圖3展示了具有子本底電流濕入部312的周期性基本波形。當(dāng)檢測(cè)到時(shí)，可以出現(xiàn)另一個(gè)子本底電流部。

產(chǎn)生的調(diào)制波形305’用于將發(fā)電能力610調(diào)制成向如圖1和圖2中所示的電極150和工件210提供電焊波形305的各個(gè)部分的實(shí)際電流電平(311，312，314，321，331，341，351)。如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“電流電平”是指基本上穩(wěn)定但由于產(chǎn)生電焊波形的在某種程度上的不正確性質(zhì)而可能具有一些變化的電流振幅。

在使用系統(tǒng)600的焊接過(guò)程中，短路檢測(cè)和短路消除預(yù)測(cè)能力630監(jiān)測(cè)電極150和工件210處的電流和電壓并且檢測(cè)電極150與工件210之間何時(shí)發(fā)生短路狀況并且還預(yù)測(cè)短路狀態(tài)將要何時(shí)終止(短路消除狀況)。當(dāng)發(fā)生短路狀況時(shí)，響應(yīng)于檢測(cè)到短路狀況，子本底電流電平能力626立即將波形305的低于本底電流電平311的電流電平拉到電流電平312，從而如本文中之前所描述的，允許熔化的金屬球變濕進(jìn)入工件210上的熔池中。然后，箍縮電流相位發(fā)生能力622將單調(diào)遞增的箍縮電流電平621施加于波形305。

當(dāng)預(yù)測(cè)到短路消除狀況(即，熔化的金屬球?qū)⒁獜碾姌O的遠(yuǎn)端箍斷)時(shí)，響應(yīng)于預(yù)測(cè)到短路消除狀況，子本底電流電平能力626再次將波形305的電流電平拉到低于本底電流電平311達(dá)到電流電平314，以便避免飛濺。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，重新點(diǎn)燃能力628提供電極接正電流電平314從而更穩(wěn)定且飛濺更少地重新點(diǎn)燃電弧。

另外，波形發(fā)生和成形能力620的定時(shí)能力627被觸發(fā)。定時(shí)能力627對(duì)負(fù)峰值電流相位330和收尾電流相位340占用的時(shí)間段進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，直至波形305切換到在正峰值電流相位350開始的正極性部。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，定時(shí)能力627預(yù)編程有在短路消除狀況、進(jìn)入負(fù)部與在進(jìn)入正極性部之前的后續(xù)時(shí)間量之間發(fā)生的時(shí)間量。一旦定時(shí)能力627完成倒計(jì)時(shí)，表明已經(jīng)進(jìn)入正極性本底電流相位310，信號(hào)切換能力625就被觸發(fā)從而重復(fù)波形305的正極性部，直至檢測(cè)到下一個(gè)短路狀況。可以根據(jù)工件或電極材料的類型預(yù)選或定制脈沖振幅和時(shí)長(zhǎng)。在所示實(shí)例中，結(jié)合具有大約0.045英寸厚度的鋼工件，在每分鐘大約150英寸的焊絲進(jìn)給速度下以大約333Hz的速率施加脈沖?？蛇x地，對(duì)于對(duì)熱輸入可能更敏感的薄壁工件或工件材料，如鋁，或者通過(guò)切換到電極負(fù)增熱脈沖可以獲得對(duì)熱輸入更大的控制。

圖6中的系統(tǒng)600的各種功能能力可以使用可以包括模擬和/或數(shù)字電子部件的電子部件配置來(lái)實(shí)施。這種電子部件配置可以包括(例如)脈沖發(fā)生器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、整流器、晶體管、逆變器、振蕩器、開關(guān)、變壓器、波形成形器、放大器、狀態(tài)機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器、微處理器、和微控制器。這種配置的各部分可以是可編程的，以便提供實(shí)現(xiàn)方式的靈活性。這種電子部件配置的不同實(shí)例可以在第4,972,064號(hào)美國(guó)專利、第6,051,810號(hào)美國(guó)專利、第6,498,321號(hào)美國(guó)專利、和序列號(hào)11/861,379美國(guó)專利申請(qǐng)中找到，其中每個(gè)專利通過(guò)引用以其全部?jī)?nèi)容結(jié)合于此。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，系統(tǒng)600包括用于產(chǎn)生電焊波形305的本底電流相位310、峰值電流相位330、和收尾電流相位340的第一電子部件配置。系統(tǒng)600進(jìn)一步包括用于產(chǎn)生電焊波形305的箍縮電流相位320的第二電子部件配置。系統(tǒng)600進(jìn)一步包括用于使用電極接正電流重新點(diǎn)燃電弧的第三電子部件配置。系統(tǒng)600還包括用于在本底電流相位310期間產(chǎn)生電焊波形305的至少一個(gè)增熱電流脈沖350的第四電子部件配置。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，系統(tǒng)600還包括用于響應(yīng)于電極短路連接至工件上從而允許熔滴變濕進(jìn)入工件210或焊接熔池220而在本底電流相位310結(jié)束時(shí)將電焊波形305的電流電平減小到低于本底電流電平的第五電子部件配置。系統(tǒng)200進(jìn)一步包括用于預(yù)測(cè)到熔滴與電極150分離而在箍縮電流相位320結(jié)束時(shí)將電焊波形305的電流電平減小到低于本底電流電平的相似電子部件配置。

第一至第五電子部件配置可能不一定獨(dú)立于彼此而是可以共享某些電子部件。例如，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第一配置中的電子部件中的許多電子部件可以與第三配置中的電子部件中的許多電子部件相同。類似地，第四配置中的電子部件中的許多電子部件可以與第五配置中的電子部件中的許多電子部件相同。根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例，其他共享部件也是可以的。

圖6中的功能實(shí)施方式展示了一個(gè)示例性實(shí)施例。其他實(shí)施例也是可以的。例如，根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，箍縮電流相位320可以經(jīng)由信號(hào)切換能力625被切入調(diào)制波形305’，而不是經(jīng)由信號(hào)求和能力623被求和。類似地，增熱脈沖350可以經(jīng)由信號(hào)求和能力623被求和到調(diào)制波形305’中，而不是經(jīng)由信號(hào)切換能力625被切入。其他修改后的實(shí)施例也是可以的，這些實(shí)施例結(jié)果是產(chǎn)生圖1中的電焊波形305或在本底電流相位期間具有至少一個(gè)增熱電流脈沖的類似波形。

圖5展示了使用系統(tǒng)100的部件和能力以及如圖3描繪的波形進(jìn)行交流電弧焊接過(guò)程的方法500的第一示例性實(shí)施例的流程圖。在步驟510，提供正極性電流并將其調(diào)節(jié)至本底電流電平311以在電極150與工件210之間維持電弧EA，從而在電極150的遠(yuǎn)端155產(chǎn)生熔化的金屬球220。在步驟520，響應(yīng)于熔化的金屬球220與工件210短路并熄滅電弧EA，例如通過(guò)向焊接電路添加電阻，電流下降到低于本底電流電平311。保持電流電平的下降以允許熔化的金屬球220變濕進(jìn)入工件210上的熔池。在步驟530，自動(dòng)將輸出電流電平增加到高于本底電流電平311從而引起熔化的金屬球220從電極150的遠(yuǎn)端155箍斷。如所討論的，可以按照線性函數(shù)進(jìn)行增加從而使電流斜升，直至在535預(yù)測(cè)到分離。

在步驟540，當(dāng)熔化的金屬球220從電極150的遠(yuǎn)端箍斷到工件210上時(shí)，將輸出電流電平減小到低于本底電流電平311，從而使用電極正電流在電極150與工件210之間重新點(diǎn)燃電弧EA。在步驟550，響應(yīng)于重新建立電弧EA，將極性變?yōu)殡姌O接負(fù)并且將輸出電流電平增加到波形305的峰值電流電平331。在步驟560，轉(zhuǎn)變到正極性部，從而在電極150的遠(yuǎn)端155上產(chǎn)生下一個(gè)熔化的金屬球220。在步驟570，如果需要額外熱量，進(jìn)行步驟575以根據(jù)需要在位于本底電流電平311與峰值電流電平331之間的中間電流電平351下、以預(yù)定義脈沖速率施加增熱脈沖，直至在下一個(gè)熔化的金屬球220之間建立下一個(gè)短路。在步驟580，如果電弧焊接過(guò)程沒有完成，則繼續(xù)返回至步驟520，否則，結(jié)束。

根據(jù)上述實(shí)施例，提供呈波形305的交流電源產(chǎn)生具有圖7所描繪的電子流的電弧EA。以此方式，系統(tǒng)100施加用箭頭指示的、與相對(duì)于電極150漫射的電子流相對(duì)應(yīng)的噴射力710。如所示，來(lái)自電極150的電子流以距離電極的中心的距離漸增的方式以接觸工件的徑向電弧的形式從電極150和熔融熔滴220向下放射。以此方式，系統(tǒng)100在發(fā)弧階段期間向基礎(chǔ)焊接熔池P施加噴射力710并且當(dāng)熔融熔滴220與電極150分離時(shí)向熔融熔滴施加更均勻分布的向外的力。噴射力710將熔融金屬熔滴220推送到熔池P中并且以均勻的力分布從電極向外推動(dòng)熔池P，從而當(dāng)熔融焊接材料硬化時(shí)產(chǎn)生更好的焊道形狀。更穩(wěn)定的電子流圖樣和產(chǎn)生的噴射力通過(guò)在熔滴分離并且過(guò)渡到熔池P時(shí)施加更均勻的力并且還通過(guò)減小可能引起熔滴的尾部在重新點(diǎn)燃電弧過(guò)程中分解的不穩(wěn)定性來(lái)進(jìn)一步減少飛濺的可能性。相比之下，以相同的波形305施加直流電(DC)產(chǎn)生圖8中描繪的聚焦電子流和集中的力。所產(chǎn)生的力排斥熔滴并且可以是不均勻或不穩(wěn)定的，使得產(chǎn)生的焊接熔池P不規(guī)則或當(dāng)硬化時(shí)不具有期望的形狀。實(shí)際上來(lái)講，焊道外觀的缺陷可能需要后續(xù)機(jī)加工或者如果焊道無(wú)效，則可能需要重做焊接點(diǎn)。

總之，本焊接系統(tǒng)的第一實(shí)施例包括焊接電源，該焊接電源提供呈具有一組正部和負(fù)部的選定波形的交流電，該負(fù)部由收尾、和本底相位組成，而該正部由峰值、收尾、和本底組成；其中，該電源在箍縮并分離相位期間提供斜升電流，在負(fù)峰值、收尾、和本底相位期間切換至電極接負(fù)電流，并且切換至后續(xù)電極接正部；其中，該正部可以在下一個(gè)短路事件之前重復(fù)。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該波形是表面張力過(guò)渡波形。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該波形是GMAW波形。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該焊接電源包括波形發(fā)生器，該波形發(fā)生器被適配成用于提供所選定的波形，其中，該波形發(fā)生器被適配成用于基于預(yù)測(cè)模型基于dv/dt、阻抗、以及定時(shí)器中的至少一者檢測(cè)短路狀態(tài)(即，頸縮)的結(jié)束，其中，該電源在檢測(cè)到該短路結(jié)束時(shí)切換至該電極接負(fù)電流。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，當(dāng)電極接正時(shí)，該焊接電源提供斜升電流。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該波形包括分離相位，并且其中，該焊接電源在該分離相位期間使用電極接正電流重新點(diǎn)燃電弧。根據(jù)該系統(tǒng)的另外一個(gè)實(shí)施例，在該分離相位之后，該波形切換至電極接負(fù)電流，該電極接負(fù)電流被適配成用于產(chǎn)生噴射力，該噴射力被適配成用于將該電極的遠(yuǎn)端推離焊接熔池。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該波形進(jìn)一步包括在該箍縮相位之前的本底相位和濕入(wet in)相位，其中，該本底相位和濕入相位是電極接正，該本底相位比該濕入相位處于更高的安培數(shù)。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該焊接電源在該濕入相位期間提供從大約20amp到大約40amp的電流。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，在該本底相位期間，該焊接電源提供在大約50amp到75amp范圍內(nèi)的本底電流。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，在該峰值電流相位期間，該焊接電源提供在大約100amp到250amp范圍內(nèi)的電流。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該一個(gè)或多個(gè)脈沖中的每個(gè)脈沖具有在大約0.5毫秒到2毫秒范圍內(nèi)的時(shí)長(zhǎng)。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該負(fù)極性部在該箍縮相位之后發(fā)生并且通過(guò)分離相位與該箍縮相位分開。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該負(fù)收尾相位包括遞減的電極接負(fù)電流。

根據(jù)該系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，該焊機(jī)電源包括與狀態(tài)函數(shù)發(fā)生器通信的控制器、與該狀態(tài)函數(shù)發(fā)生器通信的數(shù)字信號(hào)處理器、與該數(shù)字信號(hào)處理器通信的逆變器，其中，該逆變器電連接至電源、開關(guān)電路和減流器。

根據(jù)該系統(tǒng)的另外一個(gè)實(shí)施例，該開關(guān)電路是H橋極性開關(guān)。

根據(jù)該系統(tǒng)的另外一個(gè)實(shí)施例，該狀態(tài)函數(shù)發(fā)生器電連接至焊炬和工件中的至少一者以接收該焊炬和該工件的電壓或電流反饋。

本焊接系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例包括焊接電源，該焊接電源被適配成用于向電極提供呈選定波形的交流電；其中，該電極是耗材，并且其中，該波形包括一個(gè)或多個(gè)相位，在該一個(gè)或多個(gè)相位期間，該電極在其外露端產(chǎn)生熔融熔滴，其中，當(dāng)該熔融熔滴從該電極上分離時(shí)，該電極與工件之間發(fā)生短路；該焊接電源被適配成用于檢測(cè)該短路的分離并且在該熔融熔滴過(guò)渡到該工件上之后向該電極提供電極接負(fù)峰值電流；該焊接電源被適配成用于在熔融熔滴過(guò)渡之后從電極接正切換到電極接負(fù)；其中，該焊接電源產(chǎn)生將朝向工件推動(dòng)由該熔融熔滴形成的熔池P的噴射力。

根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，該波形是表面張力過(guò)渡波形。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，電弧焊接工藝可以是使用例如氬和CO₂作為保護(hù)氣體、或使用CO₂自己的氣體保護(hù)金屬電弧焊接(GMAW)工藝。焊接電極可以包括鋼或不銹鋼。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，本底電流電平可以是大約70amp，峰值電流電平可以是大約330amp，并且中間電流電平可以是大約210amp。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，增熱電流脈沖的預(yù)定義脈沖率可以是大約333Hz，并且電弧焊接工藝的焊絲進(jìn)給速度可以是大約每分鐘150英寸。

雖然已經(jīng)參照某些實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解的是，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以做出各種改變并且替換等效物。此外，可以進(jìn)行許多修改以使具體的情況或材料適應(yīng)本發(fā)明的傳授內(nèi)容而不脫離其范圍。因此，所旨在的是本發(fā)明并不受限于所披露的這些具體實(shí)施例，而是本發(fā)明將包括落入所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。