用于控制焊接電源的輸出功率的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】一種用于控制焊接電源的輸出電流的方法，包括使用所述焊接電源的控制電路檢測均方根(RMS)電流設(shè)定。所述方法還包括使用所述控制電路基于所述RMS電流設(shè)定計算平均電流命令。所述方法還包括使用所述控制電路，利用所述平均電流命令控制所述輸出電流以產(chǎn)生與所述RMS電流設(shè)定大致相同的輸出。
【專利說明】
用于控制焊接電源的輸出功率的系統(tǒng)和方法
【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明大體涉及焊接系統(tǒng)，且更具體地，涉及用于控制焊接電源的輸出功率的系統(tǒng)和方法。
[0002]焊接是在針對多種應(yīng)用的各種行業(yè)中已變得無所不在的工藝。舉例來說，焊接常用于例如造船、海上平臺、建筑、乳管機等等的應(yīng)用中。某些焊接技術(shù)(例如，氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)、氣體保護藥芯焊絲電弧焊(FCAW-G)和氣體保護鎢極電弧焊(GTAW))通常使用保護氣體(例如，氬、二氧化碳或氧)來在焊接過程中在焊弧和焊池中和周圍提供特定局部氣氛。相比之下，其它焊接技術(shù)(例如，埋弧焊(SAW))通常使用顆粒焊劑，其在電弧條件下分解或釋氣以在焊弧和焊池附近提供局部氣氛。另外，與其它焊接技術(shù)相比，SAW提供其它優(yōu)勢，例如，增大的沉積速率。
[0003]某些焊接系統(tǒng)可能需要基于均方根(RMS)電流設(shè)定和/或RMS電壓設(shè)定來操作。然而，可能難以調(diào)節(jié)基于RMS電流設(shè)定的RMS電流和/或基于RMS電壓設(shè)定的RMS電壓。舉例來說，調(diào)節(jié)RMS電流和/或RMS電壓可使用輸出焊接電壓和/或輸出焊接電流的長期平均值(例如，整流平均值、絕對平均值等)。因此，在比所期望的時間更久之后，使用RMS電流和/SRMS電壓來操作的此焊接系統(tǒng)才可在RMS電流設(shè)定和/或RMS電壓設(shè)定下穩(wěn)定化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在一個實施例中，一種用于控制焊接電源的輸出電流的方法包括使用所述焊接電源的控制電路檢測均方根(RMS)電流設(shè)定。所述方法還包括使用所述控制電路基于所述RMS電流設(shè)定計算平均電流命令。所述方法還包括使用所述控制電路，利用所述平均電流命令控制所述輸出電流以產(chǎn)生與所述RMS電流設(shè)定大致相同的輸出。
[0005]在另一實施例中，一種用于控制焊接電源的輸出電壓的方法包括使用所述焊接電源的控制電路檢測均方根(RMS)電壓設(shè)定。所述方法還包括使用所述控制電路基于所述RMS電壓設(shè)定計算平均電壓命令。所述方法包括使用所述控制電路，利用所述平均電壓命令控制所述輸出電壓以產(chǎn)生與所述RMS電壓設(shè)定大致相同的輸出。
[0006]在另一實施例中，一種用于控制焊接電源的輸出電壓、所述焊接電源的輸出電流或其組合的制品包括一或多個有形、非暫時性的機器可讀媒體，其具有編碼在其上的處理器可執(zhí)行指令。所述指令包括檢測均方根(RMS)電壓設(shè)定的指令、檢測RMS電流設(shè)定的指令，或其組合。所述指令還包括基于所述RMS電壓設(shè)定計算平均電壓命令的指令、基于所述RMS電流設(shè)定計算平均電流命令的指令，或其組合。所述指令包括使用所述平均電壓命令控制所述輸出電壓的指令、使用所述平均電流命令控制所述輸出電流的指令，或其組合。
【附圖說明】
[0007]當參看附圖閱讀以下詳細描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)勢將變得更好地被理解，在整個附圖中，相似字符表示相似部分，其中:
[0008]圖1為根據(jù)本發(fā)明的方面的埋弧焊(SAW)系統(tǒng)的實施例的框圖；
[0009]圖2為根據(jù)本發(fā)明的方面的SAW系統(tǒng)的內(nèi)部電路的實施例的框圖；
[0010]圖3為根據(jù)本發(fā)明的方面的SAW焊炬的實施例的透視圖；
[0011]圖4為根據(jù)本發(fā)明的方面的用于控制焊接電源的輸出電流的方法的實施例的流程圖；和
[0012]圖5為根據(jù)本發(fā)明的方面的用于控制焊接電源的輸出電壓的方法的實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0013]轉(zhuǎn)至附圖，圖1描述根據(jù)本發(fā)明的方面的埋弧焊(SAW)系統(tǒng)10的實施例，所述系統(tǒng)1可具有使用基于均方根(RMS)設(shè)定計算出的命令來控制的輸出。系統(tǒng)10包括焊接電源12、焊絲饋送系統(tǒng)14、焊劑供應(yīng)系統(tǒng)17和焊炬18。焊接電源12通常將電力供應(yīng)到焊接系統(tǒng)10，且可經(jīng)由電纜束20耦合到焊絲饋送系統(tǒng)14上，以及使用具有工作連接夾鉗26的引線電纜(lead cable)24耦合到工件22上。在所說明的實施例中，焊絲饋送系統(tǒng)14經(jīng)由電纜束28耦合到焊炬18上，以在焊接系統(tǒng)10的操作期間將焊絲(例如，實芯或藥芯焊絲)和電力供應(yīng)到焊炬18。在另一實施例中，焊接電源12可耦合到焊炬18上且直接將電力供應(yīng)到焊炬18。
[0014]所說明的SAW系統(tǒng)1的焊劑供應(yīng)系統(tǒng)17經(jīng)由焊劑管道31將焊劑提供到焊炬18。因此，所說明的焊炬18通常接收來自焊絲饋送系統(tǒng)14的焊絲和電力和接收來自焊劑供應(yīng)系統(tǒng)17的焊劑流以執(zhí)行工件22的SAW。在操作期間，焊炬18可被帶到工件22附近，使得電弧32可形成于焊炬18與工件22之間。應(yīng)理解，焊接系統(tǒng)10可控制電力、焊絲和/或焊劑到焊炬18、電弧32和/或在工件22的表面處的焊池的遞送，以控制焊接過程。
[0015]在圖2中說明的實施例中，焊接電源12包括功率轉(zhuǎn)換電路42，其根據(jù)系統(tǒng)40的需求從交流電力源44(例如，AC電網(wǎng)、引擎/發(fā)電機組或其組合)接收輸入功率，調(diào)節(jié)輸入功率，且經(jīng)由電纜46將輸出功率提供到焊炬18。因此，在一些實施例中，功率轉(zhuǎn)換電路42可包括電路元件(例如，變壓器、整流器、開關(guān)等等)，其能夠按系統(tǒng)40的需求的指示將AC輸入功率轉(zhuǎn)換成直流電極接正(DCEP)輸出、直流電極接負(DCEN)輸出、可變平衡AC輸出和/或單一固定平衡AC輸出(single fixed balance AC output)。端接于夾鉗26中的引線電纜24將功率轉(zhuǎn)換電路42耦合到工件22上，且使焊接電源12、工件22和焊炬18之間的電路閉合。
[0016]焊接電源12還包括控制電路48，其被配置用以接收并處理關(guān)于焊接系統(tǒng)40的性能和需求的多個輸入。控制電路48包括處理電路50和存儲器52。存儲器52可包括易失性或非易失性存儲器，例如，R0M、RAM、磁性存儲器、光學(xué)存儲器或其組合。此外，可將多種控制參數(shù)連同被配置用以在操作期間提供特定輸出(例如，開始焊絲饋送、啟用焊劑流、檢測RMS電壓和電流設(shè)定、計算電壓和/或電流命令、控制輸出電壓和/或輸出電流等)的代碼一起存儲在存儲器52中。處理電路50也可接收來自用戶接口 54的一或多個輸入，通過用戶接口 54，用戶可選擇過程和輸入期望參數(shù)(例如，電壓、電流、特定脈沖或非脈沖焊接方式等等)。舉例來說，在某些實施例中，用戶接口54可使用戶能夠設(shè)定關(guān)于電極接正(EP)或電極接負(EN)電流的量值和振幅的參數(shù)(例如，用于涉及可變平衡AC電流和/或單一固定平衡AC輸出的焊接應(yīng)用)。
[0017]基于從操作者處接收的此類輸入，控制電路48運行以控制(例如，通過發(fā)射到功率轉(zhuǎn)換電路42的控制信號)施加到焊絲上以用于進行期望焊接操作的焊接功率輸出的產(chǎn)生?；诖祟惪刂泼?，功率轉(zhuǎn)換電路42適于產(chǎn)生最終將施加到在焊炬18處的焊絲上的輸出功率。為此，如上所指出，可使用各種功率轉(zhuǎn)換電路，包括斷路器、升壓電路、降壓電路、逆變器、轉(zhuǎn)換器等等。此外，在圖2的實施例中，控制電路48還包括接口電路56，其被配置以用在操作期間與焊絲饋送系統(tǒng)14的電子器件接口連接。接口電路56耦合到處理電路50上以及耦合到焊絲饋送系統(tǒng)14的組件上。另外，處理電路50經(jīng)由耦合到接口電路56上的電纜58將與焊接操作相關(guān)聯(lián)的控制信號提供到焊絲饋送系統(tǒng)14。如先前所述，焊接電源12和焊絲饋送系統(tǒng)14可經(jīng)由電纜束20相互耦合，且焊炬18可經(jīng)由電纜束28耦合到焊絲饋送系統(tǒng)14上。
[0018]如圖2中所說明的，焊絲饋送系統(tǒng)14還包括用戶接口70，其允許在焊絲饋送系統(tǒng)14上設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)(例如，焊絲饋送速度、工藝、選定電流、電壓或功率電平、焊劑流動速率等等)。因而，用戶接口 70耦合到控制器72上，這允許根據(jù)操作者選擇來控制焊絲饋送速度，且準許經(jīng)由接口電路56將這些設(shè)定反饋給電源單元12。此外，在某些實施例中，控制器72可耦合到焊劑供應(yīng)系統(tǒng)17上，使得可通過從用戶接口 70輸入的用戶設(shè)定來控制焊劑供應(yīng)系統(tǒng)17(例如，焊劑漏斗73)的操作。如所說明的，用戶接口70可包括控制開關(guān)80。
[0019]焊絲饋送系統(tǒng)14還包括用于在控制器72的控制下將焊絲饋送到焊炬18且由此饋送到焊接應(yīng)用的組件。舉例來說，焊絲76的一或多個焊絲供應(yīng)器74(例如，線軸)容納于焊絲饋送系統(tǒng)14中。焊絲饋送器驅(qū)動單元78可從線軸74上解纏焊絲76且逐漸將焊絲76饋送到焊炬18。為此，焊絲饋送器驅(qū)動單元78可包括按用于確立適當焊絲饋送的合適方式配置的組件，例如，電路、馬達、$昆等等。舉例來說，在一個實施例中，焊絲饋送器驅(qū)動單元78可包括饋送馬達，其與饋送輥嚙合以將焊絲從焊絲饋送系統(tǒng)14推向焊炬18。來自焊接電源12的功率被施加到被饋送的焊絲上。
[0020]在所說明的實施例中，焊炬18可包括焊絲傳送組件82和焊劑遞送組件85。一般來說，在焊接系統(tǒng)操作期間，可通過電纜束28朝向焊炬18推進焊絲。在焊炬18內(nèi)，可提供附加焊絲傳送組件82，例如，附加牽引馬達及相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動輥?？烧{(diào)節(jié)牽引馬達以提供所要的焊絲饋送速度?？刂崎_關(guān)80可將信號提供到控制器72以允許由操作者開始和停止焊接過程。這些開始/停止信號可從控制器72傳播到焊接電源12。因此，啟動控制開關(guān)80可使焊劑被提供，焊絲被推進，且功率被施加到被推進的焊絲上。
[0021]基于前述內(nèi)容，圖3為被配置用以將焊絲和焊劑提供到工件22的表面的埋弧焊(SAW)焊炬18的實施例的透視圖。所說明的SAW焊炬18包括主體90，其包封一或多個通道，焊絲在從焊炬18的遠端92附近出來前可穿過所述一或多個通道。即，由焊絲饋送系統(tǒng)14提供到焊炬18的焊絲76可通常從一個端(例如，近端)部分93進入焊炬，且可通常從處于焊炬18的遠端92處的接觸尖端附近出來。另外，對于圖3中說明的焊炬實施例，已通過夾持機構(gòu)94將焊劑遞送組件85附接到焊炬18的主體90上，使得焊劑遞送組件85包圍在焊炬18的遠端92附近的接觸尖端。在其它實施例中，焊劑遞送組件85可為固定到焊炬18的主體90上的管道，其將焊劑沉積于焊弧附近，而不包圍接觸尖端。此外，所說明的焊劑遞送組件85包括管道96，其可聯(lián)結(jié)到管道75上以從焊劑供應(yīng)系統(tǒng)17接收焊劑。
[0022]圖4為用于控制焊接電源12的輸出電流的方法100的實施例的流程圖。方法100包括使用焊接電源12的控制電路48或另一焊接裝置的控制電路來檢測RMS電流設(shè)定(框102)。方法100還包括使用控制電路48基于RMS電流設(shè)定來計算平均電流命令(框104)。應(yīng)理解，平均電流可為整流平均值或絕對平均值。平均電流命令可使用任何合適的技術(shù)來計算，例如，基于平均值與RMS值之間的關(guān)系的經(jīng)驗估計的技術(shù)。在某些實施例中，可使用以下公式來計算平均電流命令:1avg = k()+kl*irms+k2*irms2，其中iavg為平均電流命令，irms為RMS電流設(shè)定，ko為第一常量，kl為第二常量，且k2為第三常量。應(yīng)理解，第一、第二和第三常量可為任何合適的值。在其它實施例中，用于計算平均電流命令的公式可使用在多種條件下的針對特定波形的最佳擬合曲線通過經(jīng)驗導(dǎo)出。所述多種條件可包括期望RMS電流、焊絲速度、期望RMS電壓等等。在一些實施例中，計算平均電流命令可使用查找表替代公式來實現(xiàn)。查找表可基于對來自所涉及的波形的模擬或理解的經(jīng)驗測量值或計算值。方法100包括控制電路48使用平均電流命令來控制輸出電流，以產(chǎn)生與RMS電流設(shè)定大致相同的輸出(框106)。在某些實施例中，使用前饋控制系統(tǒng)來實現(xiàn)控制輸出。
[0023]圖5為用于控制焊接電源12的輸出電壓的方法110的實施例的流程圖。方法110包括使用焊接電源12的控制電路48或另一焊接裝置的控制電路來檢測RMS電壓設(shè)定(框112)。方法110還包括使用控制電路48基于RMS電壓設(shè)定來計算平均電壓命令(框114)。應(yīng)理解，平均電壓可為整流平均值或絕對平均值。平均電壓命令可使用任何合適的技術(shù)來計算，例如，基于平均值與RMS值之間的關(guān)系的經(jīng)驗估計的技術(shù)。在某些實施例中，可使用以下公式來計算平均電壓命令:Vavg = ko+kl*Vrms+k2*Vrms2，其中Vavg為平均電壓命令，Vrms為RMS電壓設(shè)定，ko為第一常量，kl為第二常量，且k2為第三常量。應(yīng)理解，第一、第二和第三常量可為任何合適的值。舉例來說，在某些實施例中，第一常量可大致等于零。作為另一實例，在某些實施例中，第二常量可大于約0.8、0.9和/或0.97(例如，第二常量可為約0.972217)。作為又一實例，在某些實施例中，第三常量可小于約0.2、0.1和/或0.001(例如，第三常量可為約
0.0006236)。在其它實施例中，用于計算平均電壓命令的公式可使用在多種條件下的針對特定波形的最佳擬合曲線通過經(jīng)驗導(dǎo)出。所述多種條件可包括期望RMS電流、焊絲速度、期望RMS電壓等等。在一些實施例中，計算平均電壓命令可使用查找表替代公式來實現(xiàn)。查找表可基于對來自所涉及的波形的模擬或理解的經(jīng)驗測量值或計算值。方法110包括控制電路48使用平均電壓命令來控制輸出電壓，以產(chǎn)生與RMS電壓設(shè)定大致相同的輸出(框116)。在某些實施例中，使用前饋控制系統(tǒng)來實現(xiàn)控制輸出。
[0024]雖然本文中僅說明和描述了本發(fā)明的某些特征，但許多修改和改變將會被本領(lǐng)域的技術(shù)人員想到。因此，應(yīng)理解，所附的權(quán)利要求書旨在涵蓋落入本發(fā)明的真實精神的所有此類修改和改變。
【主權(quán)項】
1.一種用于控制焊接電源的輸出電流的方法，包括: 使用所述焊接電源的控制電路檢測均方根(RMS)電流設(shè)定； 使用所述控制電路基于所述RMS電流設(shè)定計算平均電流命令；以及 使用所述控制電路，利用所述平均電流命令控制所述輸出電流以產(chǎn)生與所述RMS電流設(shè)定大致相同的輸出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中利用所述平均電流命令控制所述輸出包括使用前饋控制系統(tǒng)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中基于所述RMS電流設(shè)定計算所述平均電流命令包括使用下列公式計算所述平均電流命令: iaVg = k()+kl*irms+k2*irms2，其中iavg為所述平均電流命令，irms為所述RMS電流設(shè)定，ko為第一常量，Iu為第二常量，且1?為第三常量。4.一種用于控制焊接電源的輸出電壓的方法，包括: 使用所述焊接電源的控制電路檢測均方根(RMS)電壓設(shè)定； 使用所述控制電路基于所述RMS電壓設(shè)定計算平均電壓命令；以及 使用所述控制電路，利用所述平均電壓命令控制所述輸出電壓以產(chǎn)生與所述RMS電壓設(shè)定大致相同的輸出。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中利用所述平均電壓命令控制所述輸出包括使用前饋控制系統(tǒng)。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中基于所述RMS電壓設(shè)定計算所述平均電壓命令包括使用下列公式計算所述平均電壓命令: Vavg = ko+kl*Vrms+k2*Vrms2，其中Vavg為所述平均電壓命令，Vrms為所述RMS電壓設(shè)定，ko為第一常量，Iu為第二常量，且1?為第三常量。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第一常量大致等于零。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第二常量大于0.8。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第二常量大于0.97。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第三常量小于0.2。11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第三常量小于0.001。12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第一常量大致等于零，所述第二常量大于0.8，且所述第三常量小于0.2。13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第一常量大致等于零，所述第二常量大于0.97，且所述第三常量小于0.001。14.一種制品，用于控制焊接電源的輸出電壓、所述焊接電源的輸出電流或其組合，包括: 一或多個有形、非暫時性的機器可讀媒體，其具有編碼在其上的處理器可執(zhí)行指令，所述指令包括: 檢測均方根(RMS)電壓設(shè)定的指令、檢測RMS電流設(shè)定的指令，或其組合； 基于所述RMS電壓設(shè)定計算平均電壓命令的指令、基于所述RMS電流設(shè)定計算平均電流命令的指令，或其組合；以及 使用所述平均電壓命令控制所述輸出電壓的指令、使用所述平均電流命令控制所述輸出電流的指令，或其組合。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的制品，其中基于所述RMS電壓設(shè)定計算所述平均電壓命令的所述指令包括使用下列公式計算所述平均電壓命令的指令: Vavg = ko+kl*Vrms+k2*Vrms2，其中Vavg為所述平均電壓命令，Vrms為所述RMS電壓設(shè)定，ko為第一常量，Iu為第二常量，且1?為第三常量。16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的制品，其中所述第一常量大致等于零，所述第二常量大于0.8，且所述第三常量小于0.2。17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的制品，其中所述第一常量大致等于零，所述第二常量大于0.97，且所述第三常量小于0.001。18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的制品，其中基于所述RMS電流設(shè)定計算所述平均電流命令的所述指令包括使用下列公式計算所述平均電流命令的指令: iaVg = k()+kl*irms+k2*irms2，其中iavg為所述平均電流命令，irms為所述RMS電流設(shè)定，ko為第一常量，Iu為第二常量，且1?為第三常量。19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的制品，其中使用所述平均電壓命令控制所述輸出電壓的所述指令包括使用前饋控制系統(tǒng)控制所述輸出電壓的指令。20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的制品，其中使用所述平均電流命令控制所述輸出電流的所述指令包括使用前饋控制系統(tǒng)控制所述輸出電流的指令。
【文檔編號】B23K9/10GK105934304SQ201480074241
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2014年12月15日
【發(fā)明人】詹姆斯·F·烏爾里奇, 杰里米·D·奧費雷施, 愛德華·G·貝斯特爾
【申請人】伊利諾斯工具制品有限公司