从电压和电流反馈提取电弧长度的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本发明总体上涉及焊接系统，并且更具体地讲，涉及控制气体保护金属极弧焊(GMAff)的焊接系统，也称为，金属极惰性气体保护(MIG)焊接系统。
[0002]电弧焊接系统通常包括电源，电源将电流施加到电极上以使电弧穿过电极与工件之间，从而加热电极和工件以建立焊点。在许多系统中，例如，气体保护金属极弧焊系统(GMAff)中，电极由通过焊炬进给的焊丝构成。由于通过电弧加热电极，电极熔化并结合在工件的熔化金属上以形成焊点。
[0003]先进形式的MIG焊接基于在焊接电源中脉冲功率的产生，这可以称为脉冲气体保护金属极弧焊(GMAW-P)。也就是说，可以实现各种脉冲体系，其中通过由电源控制电路命令电流脉冲和/或电压脉冲以调节来自焊丝的金属熔滴的形成和沉积、维持熔池所需的加热和冷却分布以及控制焊丝与熔池之间的短路等。
[0004]通过控制将电压和电流供应到电极，GMAW系统可以控制通过电弧熔化并沉积电极的方式。控制电极与工件之间的电弧长度可以影响施加的能量和/或如何通过电弧沉积电极。一些GMAW系统可以尝试通过控制供应到焊炬的焊接电压来维持恒定的电弧长度。然而，跨电弧长度的电弧电压可能仅仅是焊炬与工件之间的焊接电压的一部分。
【发明内容】
[0005]以下概述了与最初要求保护的发明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发明的范围，而是这些实施例仅仅旨在提供本发明的可能形式的简要概述。实际上，本发明可以包含类似于或不同于以下阐述的实施例的各种形式。
[0006]在第一实施例中，一种控制焊接系统的方法包括:以一电流斜变率控制供应到电极的焊接电流;并且至少部分地基于受控制的焊接电流和变化的焊接电压确定电弧长度。所述电弧长度包括所述电极与工件之间的距离，并且所述电弧电压包括所述电极与所述工件之间的电压。
[0007]在另一个实施例中，一种焊接系统包括:功率转换电路，其被配置成提供脉冲焊接波形到焊炬;一个或多个传感器；以及与所述一个或多个传感器连接的处理电路。所述脉冲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。所述一个或多个传感器被配置成感测施加在所述焊炬内的电极上的脉冲焊接波形的焊接电压和所述脉冲焊接波形的焊接电流。所述处理电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间所述焊接电流的变化以及焊接电压的变化确定电弧长度。所述电弧长度包括所述电极与工件之间的距离。
[0008]在另一个实施例中，一种控制焊接系统的方法包括:感测脉冲焊接波形的变化的焊接电流和变化的电压;至少部分地基于所述变化的电流和所述变化的电压确定电极的电阻;至少部分地基于焊接电压、所述电阻和降电落压确定电弧电压;并且至少部分地基于所述电弧长度与所述电弧电压之间的函数关系在所述脉冲焊接波形期间控制电弧长度。所述电弧长度包括所述电极与工件之间的距离。
【附图说明】
[0009]当结合附图阅读以下详细说明时，会明白本发明的这些和其他特征、方面和优点，附图中相似的附图标记代表在整个附图中相似的部件，其中:
[0010]图1是图示了根据本技术的一些方面用于执行焊接操作的与送丝机连接的电源的GMAW系统的实施例；
[0011]图2是图1所示类型的焊接电源的控制电路部件的实施例；
[0012]图3是沿着图1的GMAW系统的线3_3截取的电极与工件之间的焊接电弧的实施例；
[0013]图4是GMAW系统的电压和电流波形的实施例；
[0014]图5是GMAW系统的脉冲波形的变化部分的采样的电压和电流的图示；
[0015]图6是根据实施例的电弧长度与λ之间的关系的图示；
[0016]图7是图示了根据实施例的用于获得与电弧长度和λ有关的数据组的方法的流程图；以及
[0017]图8是用于确定并控制脉冲波形的电弧长度的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0018]以下将描述本发明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，在研发任何这种实际实施方式时，例如在任何工程或设计项目中，必须作出众多专门针对实施方式的决定来达到开发者的具体目的，例如，遵循系统相关的和商业相关的约束条件，这可能因实施方式的不同而改变。此外，应当理解，这种研发努力可能很复杂且费时，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、制造和生产的例行任务。
[0019]在介绍本发明的各种实施例的时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在表示有一个或多个要素的意思。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包括性的，并且表示还可以具有除列举的要素以外的附加要素。
[0020]本文所述的GMAW系统的实施例可以至少部分地基于供应到电极的焊接电流和焊接电压中的感测到的变化来控制电极与工件之间的电弧长度。GMAW系统(例如，脉冲GMAW系统)的控制电路可以在变化到脉冲峰值或从脉冲峰值变化期间从感测到的电压和电流确定电弧长度。供应到电极的焊接电压具有多个分量，例如，跨电极的电压、降落电压和跨电弧长度的电弧电压。电弧电压可以与电弧长度直接相关。控制电路利用观测到的焊接电流和焊接电压随着各种电弧参数对应的测试数据的变化(例如，在脉冲的斜升或斜降期间)以通过从焊接电压减去其他分量的影响来确定电弧电压。控制电路可以从脉冲的斜升或斜降部分期间感测到的电压和电流确定电极电阻以确定跨电极的电压。使用控制数据以及观测到的焊接电流和焊接电压，控制电路可以确定降落电压、电弧电压和电弧长度。控制电路可以将确定的电弧长度与电弧长度设定进行比较，并且控制电源和/或送丝机以至少部分地基于确定的电弧长度与电弧长度设定之间的差值来调节影响电弧长度的电弧参数。因此，控制电路可以确定电弧长度并且在闭环控制中控制电弧长度。
[0021]现在转到附图，并且首先参见图1，焊接系统被图示为包括通过导体或导管14彼此连接的电源10和送丝机12。在图示的实施例中，电源10与送丝机12分开，使得送丝机12可以在焊接位置附近位于距电源10的一定距离处。然而，应当理解的是，在一些实施方式中，可以与电源10—体化。在这些情况下，导管14将在系统内部。在送丝机12与电源10分开的实施例中，端子通常可以设置在电源10和送丝机12上以允许导体或导管14与系统连接以允许电力和气体从电源10被提供到送丝机12，并且允许在两个设备之间交换数据。
[0022]系统被设计成提供焊丝、电力和保护气体到焊炬16。如本领域技术人员将理解的那样，焊炬可以具有许多不同的类型，并且通常允许供给焊丝和气体到将要形成焊点以接合两个或更多个金属件的紧邻工件18的位置。第二导体(例如，夹具58)通常延伸到焊接工件18以便补足电源10与工件18之间的电气回路。
[0023]系统被设计成允许操作员，特别是通过设置在电源10上的操作界面20，来选择数据设定(例如，焊接参数、电弧长度)。操作界面20通常纳入到电源10的前面板中，并且可以允许选择设定。焊接参数可以包括以下讨论的电弧参数和系统参数。系统参数可以包括背景和峰值电流及电压、脉冲频率、脉冲周期等。电弧参数可以包括电极尺寸、类型和材料、送丝速度、保护气体成分等。具体地，焊接系统被设计成允许使用通过焊炬16开槽的各种钢焊丝、铝焊丝或其他焊丝的MIG焊接。这些焊接参数被传递至电源10内的控制电路22。系统可以特别地被适配成实施被设计成用于某些电极类型(例如，实心电极和/或药芯电极)的焊接体系。
[0024]控制电路22，以下更详细地描述，运行以控制从电源10输出的焊接电力的产生，该焊接电力施加在用于执行所需的焊接操作的焊丝上。在某些当前设想的实施例中，例如，控制电路22可以被适配成调节GMAW-P体系，该GMAW-P制度在焊丝的尖端与工件18之间维持基本上恒定的电弧长度。例如，控制电路22可以将电弧长度维持在电弧长度设定的阈值长度内。阈值长度可以在电弧长度设定的大约I %、5%或10%内。控制电路22可以确定在提供到焊炬16的脉冲波形期间的电弧长度，并且通过闭环控制系统控制在同一脉冲波形或后续脉冲波形期间的电弧长度。控制电路22出于测量目的可以在不改变(例如，诱发扰动)脉冲波形的情况下从感测到的脉冲波形的电压和电流确定电弧长度，如本文描述的那样。此外，在一些实施例中，控制电路22可以在斜升期间以及在控制脉冲波形到达峰值之前确定电弧长度。控制电路22可以感测焊炬16与工件18之间的电压，并且至少部分地基于跨焊丝的电压变化、阴极降落电压和阳极降落电压中的一种或多种确定电弧电压和电弧长度。在一些实施例中，控制电路22可以指导电源10提供脉冲波形以在脉冲波形的峰值部分期间维持基本上恒定的电弧长度的同时促进熔化金属到前进的熔池的短路转移。
[0025]在“短路”模式中，熔化的材料的熔滴在焊接电弧的加热的影响下形成在焊丝上，并且这些熔滴通