电弧启动系统和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年12月19日提交的题为“电弧启动系统和方法”的美国临时申请序列号62/094,563的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文中用于所有目的。

背景技术：

本公开总体涉及焊接系统，更具体地涉及焊接系统中使用的某些工艺的起弧。

一些焊接系统使用电弧焊接工艺，诸如气体保护钨极电弧焊(gtaw)，也称为钨极惰性气体保护(tig)焊接，其中使用非消耗性钨极来生产焊缝。使用tig焊接工艺的焊接系统可以以多种方式起弧，包括直接或远程起弧。直接起弧可以称为“摩擦起弧”。为了摩擦起弧，钨极在电源接通时与工件摩擦以引弧。然而，使用摩擦起弧可能引起焊缝和电极的污染。远程起弧可以称为“高频(hf)起弧”。虽然钨极与工件不接触，但是高频起弧可能需要在钨极上施加较高电压且高频的正弦波(几兆赫兹)。在电极尖端产生的高频电场破坏电极尖端与保护气柱内的工件之间的路径的介质电阻，以在保护气体中形成导电路径，从而可以建立电弧。遗憾的是，由于有助于起弧的大输出电压，高频波形起弧通常产生相对较大的电磁干扰(emi)覆盖区，这可能会引发附近电子设备出现问题等。

技术实现要素：

以下概述与最初要求保护的主题的范围相同的某些实施例。这些实施例并非旨在限制要求保护的主题的范围，而是这些实施例仅仅旨在提供主题的可行形式的简要概述。实际上，主题可以包括类似于或不同于以下阐述的实施例的各种形式。

在某些实施例中，焊接系统可以包括焊炬和经由电缆电耦接至焊炬的焊接电源，所述电缆被配置成向焊炬供应电能。所述焊接电源可以包括伪随机噪声(prn)发生器控制逻辑电路，所述伪随机噪声发生器控制逻辑电路被配置为基于一个或多个基线生成具有二进制值的伪随机选择的数据序列的抖动脉冲波形，并且在由所述焊炬执行的钨惰性气体(tig)焊接过程中的起弧期间将所述抖动脉冲波形应用于振荡器。

附图说明

当参照附图阅读以下详细说明时，会更好地理解本公开的这些和其他特征、方面和优点，附图中相似的附图标记代表在所有附图中相似的零件，其中：

图1是根据本公开的实施例的包括电源和不可消耗的钨极的tig焊接系统的框图；

图2是根据本公开的实施例的用于在图1的tig焊接系统中起弧的子电路系统的框图；

图3是根据本公开的实施例的适于在图1的tig焊接系统中起弧的过程的流程图；

图4a是包括使用图2的电路系统生成的伪随机噪声(prn)的示例性抖动脉冲串，并且图4b是根据本公开的实施例的图4a的抖动prn脉冲串的二进制表示；并且

图5是根据本公开的实施例的适于监测并确定图1的tig焊接系统的方面的过程的框图。

具体实施方式

以下将描述本公开的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的精确描述，本说明书中不会描述实际实施方式的所有特征。应当理解，在开发任何这种实际实施方式中，如同在任何工程或设计项目中，必须作出许多实施方式特定的决定来获得开发者的具体目的，例如，符合系统相关的和商业相关的约束，这可能因实施方式的不同而异。此外，应当理解，这种开发努力可能复杂且费时，但是对于从本公开受益的普通技术人员而言，这可能是设计、制备和制造的日常任务。

在介绍本公开的各种实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在表示有一个或多个元件的意思。术语“包括“、”包含“和”具有“旨在包括性的，并且表示还可以具有除列举的元件之外的附加元件的意思。

如前所述，使用高频(hf)波形来启动tig焊接系统中的电弧可能会产生相对较大的电磁干扰(emi)覆盖区，这对附近的电子设备是不利的。因此，本公开涉及减少在使用增强的控制电路系统和低成本部件等的tig焊接系统中电子起弧时产生的emi覆盖区。在一些实施例中，增强的控制电路系统可以使用脉冲宽度调制(pwm)和脉冲位置调制(ppm)技术的混合组合来生成抖动脉冲波形。任何类型的“脉冲”调制是调幅的子类，其中输出波形中的任何变化都是振幅的变化，在脉冲调制情况下，振幅从“开”变为“关”。抖动脉冲波形可以通过扩展由电弧启动信号使用的频谱的动作来降低起弧期间的平均功率谱密度输出。如下详细地所述，增强的控制电路系统可以通过使用与需要振荡器启动以起弧的最小时间的基线以及在电弧熄灭之前振荡器可以关闭的最大时间有关的基线来实现pwm。其他调制方案也适用于本公开。例如，prn子电路系统可以改变或调制振荡器相位或频率。这些模式的优点在于，hs起始波形的功率在仍然扩展频谱的同时更恒定(不是脉冲开启和关闭)。

增强的控制电路可以使用伪随机噪声(prn)发生器控制逻辑来根据基线随机生成脉冲宽度以降低平均功率谱密度。此外，增强的控制电路可以使用ppm来抖动脉冲位置，以扩大用于减小电弧启动期间emi覆盖区的频谱。此外，在一个实施例中，除了别的以外，控制电路系统可以使用基线监测系统以确定系统的性能和/或是否正确配置电极。

现在转到附图，并且首先参考图1，示例性的tig焊接系统10被图示为包括电源12和不可消耗的钨极14。电源12可以经由焊接电缆17电耦合至焊炬16并向其提供焊接功率。操作者可以一只手握住焊炬16，并手动地将焊条18送入焊接区域。可以与电源12成一体或与电源12分离的气体源20可以如图所示经由焊接电缆17或通过单独的电缆21将气体(例如，cc“2、氩气)提供给焊炬16。操作者可以接合焊炬16的触发器22以在钨极14和工件26之间启动电弧24。在一些实施例中，焊接系统10可以由自动化界面触发，包括但不限于可编程逻辑控制器(plc)或机器人控制器。在一些实施例中，通过与脉冲位置调制(ppm)等相结合使用脉冲宽度调制(pwm)来生成在起弧期间使用的抖动脉冲波形，可以减少经常伴随远程起弧的电磁干扰(emi)。也就是说，所公开的技术可以保持峰值电弧功率以启动电弧24，同时降低输出的平均功率谱密度，如下面更详细描述的。焊接系统10被设计成向焊炬16提供焊接功率和保护气体。如本领域技术人员将理解的，焊炬16可以是许多不同类型的，并且可以有助于使用电极18和气体的各种组合。

焊接系统10可以经由设置在电源12上的操作者界面28从操作者接收数据设置。操作者界面28可以并入电源12的面板中，并且可以允许选择设置，例如起弧类型(例如，抖动脉冲波形、hf、提拉式起弧等)、焊接工艺(例如，tig、粘结焊等)、电压和电流设置等等。焊接设置被传送到电源12内的控制和功率转换电路系统30。

控制和功率转换电路系统30用于控制应用于电极14的焊接功率输出的生成，以执行所需的焊接操作。也就是说，控制和功率转换电路系统30控制提供给焊炬16的焊接功率的电流和/或电压。在某些实施例中，控制和功率转换电路系统30可以包括执行计算机指令或访问存储在一个或多个有形的、非暂时的计算机可读介质(例如存储器34)上的数据的一个或多个处理器32。在一些实施例中，控制和功率转换电路系统30可以包括子电路系统36，其适于调制在tig焊接方案中用于在电极14与工件26之间启动电弧24的脉冲。子电路系统36可以包括伪随机噪声(prn)发生器控制逻辑38等，并且子电路系统36可以由处理器32实现，处理器可以是诸如微控制器的任何合适的处理器。通过使用prn发生器控制逻辑38，可以生成抖动脉冲波形，其使用pwm和ppm技术的混合组合以应用于振荡器39。根据一个方面，振荡器39可以是工作频率已知的晶体振荡器。在一些实施例中，可以使用任何合适的振荡器39，诸如电阻-电容(rc)振荡器或电感-电容(lc)振荡器。如下面详细描述的，应用于振荡器39的抖动脉冲波形的平均脉冲宽度影响输出的平均功率谱密度，而抖动脉冲位置引起扩频效应。换句话说，在扩大电极14和工件26之间启动电弧24时产生的emi覆盖区的频谱的同时，减小了平均功率。

当确定抖动脉冲串时，子电路系统36可以获得在电极14和工件26之间启动电弧24所需的振荡器39的最小导通时间的基线和在电弧熄灭之前的振荡器39的最大关闭时间的基线。在一些实施例中，可以将基线预设并存储在电源的存储器34中。另外或可替代地，在给定参考变量(气体类型、电极尺寸和尖端指向等)的情况下，测量启动电弧24所需的振荡器集电极/漏极电流的子电路系统36可以在期望的时间(诸如第一次启动电弧24)确定基线。例如，在一些实施例中，对于振荡器集电极/漏极电流值的参考值，子电路系统36可以对振荡器39在多长时间内启动以启动电弧24进行计时，并将最小启动时间基线设定为该时间长度，并且对在电弧24熄灭之前振荡器39关闭多久进行计时，并将最大关闭时间基线设定为该时间长度。可以通过基于基线激活和去激活振荡器来随机地生成脉冲的宽度，以降低平均功率密度。此外，在一些实施例中，处理器32可以监测系统10以至少部分地基于启动电弧24所需的实际时间和/或熄灭之前的实际关闭时间长度确定是否正确配置电极14，和/或确定是否需要维护系统10。

控制和功率转换电路系统30供应在焊炬16处施加在电极14的焊接功率(例如，抖动脉冲波形)。电路系统30与电功率源连接上，如箭头34所示。施加在电路系统30上的功率34可以源自电力网，尽管也可以使用其他功率源，例如，发动机驱动的发电机、蓄电池、燃料电池或其他替代源产生的功率。电路系统30的功率转换部件可以包括斩波器、升压转换器、降压转换器、逆变器等。在一些实施例中，子电路系统36的部件可以包括放大器40和变压器42，下面将更详细地描述。

在一些实施例中，电路系统30可以使用一个或多个传感器37监测系统10的性能和电极14的配置。传感器37可以是任何合适类型的传感器，包括热式、电流式、振动式等等。反馈到电路系统30的数据可以形成闭环系统，并且电路系统30可以使用数据来确定系统10的各种特性和配置。例如，如果传感器37返回数据指示对于振荡器集电极/漏极电流的参考值，电弧24花费时间比最小启动时间基线长，则电路系统30可以确定未正确配置(例如，错误地定位)电极14并且可以执行预防措施。预防措施可以包括通过操作者界面28产生音频和/或视觉警报。此外，如果电弧24比关闭电源12之后的最大关闭时间基线更快或更慢地熄灭，则处理器32可以确定未正确配置电极14。在一些实施例中，可以监测子电路系统36的放大器40中的电流，以推测电极14的质量。例如，如果需要超过阈值的电流量来启动电弧24，则处理器32可以确定电极14的质量已经下降并且经由操作者界面28产生警报。

图2是根据本公开的实施例的用于在图1的tig焊接系统10中起弧的子电路系统36的框图。如图所示，在某些实施例中，子电路系统36可以包括四个元件：prn发生器控制逻辑38、振荡器39、放大器40、变压器42和电源供应器子系统44。可以在硬件和/或软件中实施prn发生器控制逻辑38。也就是说，prn发生器控制逻辑38可以实施为电路，诸如现场可编程门阵列(fpga)，或存储在一个或多个有形的、非暂时的处理器可读介质中并由微处理器或微控制器等执行的计算机指令(程序)。如前所述，prn发生器控制逻辑38被配置为生成抖动脉冲串，以施加到振荡器39，以提供具有降低的emi覆盖区的稳定电源来启动电弧24。在某些实施例中，振荡器39可以是prn发生器控制逻辑38的一部分。可以通过扩大输出信号使用的频谱并降低平均功率输出来降低emi。可以通过根据调制信号的特性改变脉冲的时间位置(例如，经由ppm)来扩展频谱，并且可以通过改变脉冲的宽度(例如，经由pwm)来实现平均功率的降低。为了实现这些方面，prn生成器38可以生成二进制值(逻辑1和0)的伪随机数据序列以应用于振荡器39的状态变量。振荡器39的状态变量是启动(1)或关闭(0)。prn发生器控制逻辑38可以获得需要振荡器39启动以启动电弧24的最小时间的基线以及在电弧24熄灭之前振荡器39可以关闭的最大时间的基线。

在一些实施例中，基线可以被预编程并从存储器34获得。另外或可替代地，对于振荡器集电极/漏极电流的参考值，通过确定振荡器39启动多长时间以启动电弧24(例如，基于由传感器37返回的数据)，然后关闭振荡器39并确定电弧24熄灭需要多长时间，可以在电源12启动时获得基线。确定的基线可以存储在存储器34中以供稍后访问。在任何实施例中，一旦获得基线，prn发生器控制逻辑38可以在最小值和最大值之间生成随机值。也就是说，最小开启时间和最大关闭时间可以建立可以设置中间值的时间范围。因此，所生成的数据序列是伪随机的，因为基于最小启动时间基准确定用于启动电弧24的初始值(逻辑1)，并且基于最大关闭时间基线确定用于熄灭电弧24的最终值(逻辑0)，而两者之间的值根据基线随机确定。例如，prn发生器控制逻辑38可以选择一个数据序列，使得振荡器39保持启动足够长的时间以使得电弧24启动，并且不会关闭太长的时间使得电弧24熄灭。应当注意，应用于振荡器状态变量的数据序列的生成可以基于占空比。通过随机设置振荡器39在最小启动时间和最大关闭时间之间的启动和关闭的时间长度，脉冲宽度发生变化(pwm)并且脉冲的位置发生变化(ppm)，从而降低了平均功率谱密度(emi覆盖区)。

在某些实施例中，放大器40可以是射频rf放大器并且具有高效率拓扑，例如类别f，但是可以使用任何合适的类别，例如a、ab、b、c、d、e、f等等。在某些实施例中，与a类放大器相比，放大器40可以包括c、d、e、f类或提供效率提高的任何其它放大器拓扑。高效拓扑结构促进了更低的额定功率和更低的制造成本。例如，使用高效放大器40可以允许使用诸如低电压金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的低功率元件。此外，放大器40可以是非调谐的，这有助于产生用于实现emi扩频效应的宽带信号。也就是说，非调谐可能意味着放大器40不被调谐到以特定频率输出信号。结果，放大器40的非调谐特征可使得放大器40能够以频谱中的不同频率输出信号。放大器40可以接收低电压信号作为具有较高电压的输入和输出信号。此外，电源供应器子系统44可以向用于子电路系统36的prn发生器控制逻辑38和放大器40提供经滤波的功率。

如本领域技术人员可以理解的，q可以指质量因素，q越高，带宽越窄；q越低，带宽越宽。因此，变压器42可以是在提供频率滤波时被调谐成实现宽带操作的低q。例如，在某些实施例中，变压器42可具有约1.0(例如，大于约0.5和/或小于约4.0)的q。可以在变压器42上使用并联电容器，一次绕组与寄生元件组合允许变压器42的低q调谐特性。变压器42可以将功率输出到焊炬16，如箭头46所示。在输出级上使用具有低q调谐变压器的宽带rf放大器40可以在电路系统30上实现较低的额定电压，同时仍输出足够高的电压以启动电弧24。

图3是根据本公开的实施例的适于在图1的tig焊接系统10中启动电弧24的过程50的流程图。过程50可以由图2的子电路系统36实施并执行。过程50可以包括：获得由tig焊接系统10执行的焊接过程中启动电弧24的最小振荡器启动时间的基线以及在电弧24熄灭之前的最大振荡器关闭时间的基线(处理框52)；使用pwm和ppm根据基线生成抖动的伪随机噪声(prn)脉冲串(处理框54)；并且在由焊接系统执行的焊接过程中的电弧启动期间将prn脉冲串应用于振荡器的状态变量(处理框56)。例如，在某些实施例中，振荡器39的相位可以至少部分地基于所生成的prn脉冲串来改变(例如，调制)。此外，在某些实施例中，振荡器39的频率可以至少部分地基于所生成的prn脉冲串来改变(例如，调制)。如前所述，关于过程框52，可以使用的基线涉及需要振荡器39启动以启动电弧24的最小时间以及在电弧24熄灭之前振荡器39可以关闭的最大时间。

获取基线可以包括访问存储在存储器34中的基线或在电源12可操作时重新生成基线。实际上，可以在由于正常使用而使用系统10时适配基线。例如，当电极14的质量发生变化时，振荡器39需要开启以开启电弧24的最小时间量可以增大。因此，可以在任何期望的时间重新建立基线。在一些实施例中，可以基于系统10启动的第一电弧24确定基线。可以定期(例如，每天、每周、每月等)更新基线。此外，当电极14的构造发生变化时，可以重新建立基线。例如，在某些实施例中，当将新的钨插入件安装在焊炬16中时，可以确定新的基线。在确定基线之后，它们可以被存储在存储器34中，直到它们被再次更新。

在处理框54中，根据基线生成抖动prn脉冲串可以包括选择数据序列，使得振荡器39保持启动足够长的时间以使得电弧24被启动，并且不关闭足够长时间使得电弧24熄灭。如上所述，数据可以包括二进制值(逻辑1和0)，并且可以基于占空比。数据序列可以在减小平均功率谱密度的同时维持峰值功率。数据序列可能不是完全随机的，因为在基线范围内生成数据序列。例如，生成的数据序列可以从1开始，只要需要启动电弧24。然后，数据序列可以根据基线选择随机的1或0。也就是说，至少对于最小启动时间，可以选择任何数量的连续的1，并且可以选择比最大关闭时间小的任何数量的连续的0。最后，当想要熄灭电弧24时，可以选择连续的0的最大关闭时间，以使电弧24熄灭。通过随机选择抖动prn脉冲串中的值，脉冲宽度(例如经由pwm)和脉冲的时间位置(例如，经由ppm)发生变化，从而导致扩频效应和降低的平均功率谱密度。一旦生成抖动prn脉冲串，就可以将其应用于振荡器39的状态变量，以对应地控制振荡器39的操作(处理框56)。

图4a是包括使用图2的子电路系统36生成的伪随机噪声(prn)的示例性的抖动脉冲串60，并且图4b是根据本公开的实施例的图4a的抖动prn脉冲串60的二进制表示。从图4a开始，如图所示，所生成的抖动prn脉冲串60附着在最小启动时间和最大启动时间的基线上。应当注意，所示的时间长度为了说明的目的，实际长度和二进制值可能相应地不同。例如，在所示实施例中，将启动电弧24的最小启动时间设定为3毫秒(ms)，将电弧24熄灭之前的最大关闭时间设定为7ms。因此，对于启动电弧24所需的最小时间量(3ms)，脉冲串60通过将状态变量设置为高(逻辑1)来开始。在时间t1启动电弧24之后，状态变量在基线范围内的启动(逻辑1)和关闭(逻辑0)之间随机变化。具体来说，对应地设置状态变量：

6ms为0，这小于7ms的最大关闭时间

3ms为1，这是最小启动时间基线

2ms为0，这小于7ms的最大关闭时间

5ms为1，这大于最小启动时间基线

4ms为1，这大于最小启动时间基线

3ms为0，这小于7ms的最大关闭时间

9ms为1，这大于最小启动时间基线

然后，在t2时刻，当想要熄灭电弧时，对于7ms的最大关闭时间，将状态变量设定为0，所以电弧在时刻t3熄灭。所得到的抖动prn脉冲串60的二进制值的数据序列如图4b所示。例如，序列表示为：

11100000011100111110000011110001111111110000000

可以看出，脉冲的宽度发生变化。实际上，脉冲的导通时间等于3毫秒、3毫秒、5毫秒、4毫秒和9毫秒。此外，脉冲激活时的位置在周期之间变化以扩展信号所使用的频率。可以通过被配置为提供宽带操作的非调谐放大器40和低q变压器42来进一步实现扩频效应。平均功率可以通过随机改变脉冲宽度来减小，因为输出功率在所有脉冲之间被平均，而不是像在hf波形起弧中一样以高电压保持恒定。

图5是根据本公开的实施例的适于监测并确定图1的tig焊接系统10的方面的过程70的框图。过程70可以被实施为存储在一个或多个存储器34上并由一个或多个处理器32可执行的计算机指令。过程70可以包括：监测系统10(处理框72)；确定是否正确配置系统10(处理框74)；并且确定系统10的性能和/或电极14的质量(处理框76)。具体地，在处理框72中，监测系统10可以包括使用传感器37来监测焊接过程的期望方面。例如，在一些实施例中，传感器37可以被配置为跟踪启动电弧24所经过的时间量以及熄灭电弧24所经过的时间量。传感器37可以被配置为将跟踪的数据发送回控制和功率转换电路系统30。在一些实施例中，传感器37可以检测从电路系统30发送到焊炬16的电压和电流、电极14的热性质(例如，操作期间电极的热)等。

使用从传感器37返回的数据或电路系统30占有的数据，处理器32可以确定是否正确配置系统10(处理框72)。例如，焊接的类型(例如，tig)确定电极14如何指向和定位。如果数据指示电极14花费的时间长于启动电弧24的最小启动时间的基线，则处理器32可以确定没有正确定位电极14。另外或可替代地，如果电弧24启动，然后在最大关闭时间的基线之前熄灭，则处理器32可以确定电极14没有被正确地指向。这样，过程70可以使用基线来执行自诊断。

此外，过程70可以包括确定系统10的方面的性能和/或质量(过程框76)。例如，如果启动电弧24所需的电流增加超过设定的阈值(例如最大值)，则处理器32可以确定电极14的质量正在衰减，从而要求为所需的焊接工艺重定向或定形电极。换句话说，处理器32可以至少部分地基于启动电弧的时间对于给定的振荡器收集器/漏极电流是否超过基于基线的规范时间阈值来确定未正确配置电极14。因此，可以监测电路系统30中的电流以确定启动电弧24需要多少电压。此外，传感器37可以监测提供给焊炬16的电流。在一些实施例中，可以通过子电路系统36的一个或多个电气特性来评估电极14的性能或质量，使得将这些特性与规范操作限制进行比较。

在关于处理块74和/或处理块76的上述任何一种场景中，如果处理器32确定存在配置问题或质量问题，则可以经由操作者界面28产生警报。结果，过程70可以向用户通知电极14未被正确配置，或者例如需要替换或重定形/定向。

虽然本文仅示出并描述了公开的主题的某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，应当理解的是，所附权利要求旨在涵盖落入本公开的真正精神范围内的所有这种修改和变化。