电池辅助的发动机驱动的焊接处理的系统和方法

专利名称：电池辅助的发动机驱动的焊接处理的系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及焊接系统，尤其涉及一种为使用电池的通过发动机驱动的焊接
系统驱动的焊接处理提供辅助电源的系统和方法。
背景技术：
传统的焊接设备可以分成两个基本类别。类别一被称为静态功率焊接系统，其从 传输功率插座接收工作功率。类别二被称为旋转功率焊接系统或者发动机驱动焊接系统， 其是具有内燃机发动机的便携式或自主式独立焊接机。这些发动机驱动焊接机利用发动机 和相关联的发电机产生的功率而操作。 虽然在多数设置中优选传统的静态功率驱动焊接机，而发动机驱动焊接机可以在 静态功率不可用时和/或需要较高可携带性时进行焊接处理。然而这些发动机驱动焊接系 统通常比静态功率焊接机在功率范围和为设置成驱动一特定焊接处理所需的功率特性等 方面灵活性较差。简而言之，发动机驱动焊接系统受到发动机和发电机的发电能力限制，而 静态功率焊接系统实际上具有实际上不受限制的电源。 发动机驱动焊接系统具有显著的局限性，例如，当执行金属惰性气体(MIG)焊接 过程时使用相对较大直径的焊丝和短路或改进的短路传送处理。在这种处理中，自耗焊丝 电极朝焊接位置被驱动并且周期性地被熔合到工件上以在焊炬和被接地的工件之间形成 "短路"。为合理执行这种处理，在接下来的各个短路中，由焊接电源传输足够的电流，从而 烧穿短路，并且将自耗电极从工件分离。其他考虑还包括，从工件分离电极所需的电流量与 构成短路的自耗电极的直径成正比。因此，当使用相对大直径的焊丝时，需要发动机驱动焊 接系统能够迅速地输送超过发动机/发电机容量的电流。 因此，期望便携式的并且能够提供宽范围的功率特性的焊接系统能够进行多种类 型的焊接处理。

发明内容
本发明克服上述缺陷是通过为发动机驱动的焊接系统驱动的焊接处理提供辅助 的、必需的功率的系统和方法。 依照本发明的一个方面，公开了一种焊接系统，其包括电池、发动机和发电机，该 发电机连接到发动机，从而对其进行驱动以便产生功率。该系统还包括用于将发电机产生 的功率转换成主焊接功率的功率调节电路、以及用于在焊接处理的第一状态和第二状态期 间输送驱动焊接处理的焊接功率的输出端。该系统还包括在焊接处理的第二状态期间监视 焊接处理并且选择性地连接电池至输出端的控制器，以便在焊接处理的第二状态期间提供 辅助焊接功率来驱动焊接处理。 依照本发明的另一方面，公开了一种焊接电源，其包括电池、发动机和发电机，该 发电机连接到发动机上，从而对其进行驱动以便产生功率。该焊接电源还包括用于将发电 机产生的功率转换成驱动焊接处理的焊接功率的功率调节电路。另外，该焊接电源还包括用于选择性地连接电池至功率调节电路的控制器，以便在焊接处理的至少一部分期间内提 供与焊接功率一起输送的辅助功率。 依照本发明的再一方面，公开了一种驱动焊接处理的方法，其包括操作与发电机 连接的发动机，以提供焊接功率至焊接输出端来驱动焊接处理。该方法还包括在焊接处理 的至少一部分期间内选择性地连接电池至焊接输出端，以提供除焊接功率以外的辅助功率 来驱动焊接处理。 本发明的其它各种特征通过以下的具体实施方式
和附图变得更加清楚和明了。


以下将参照附图描述本发明，其中相同的附图标记表示同类元件，并且 图1是依照本发明的焊接系统的透视图； 图2是图1焊接系统的功率输送部件的示意图；以及 图3是用于说明如图1和图2所示的焊接系统的操作步骤的流程图。
具体实施例方式
本发明涉及一种焊接设备，更具体地说涉及一种发动机驱动焊接电源。本领域的 普通技术人员将完全理解，下文中说明的焊接设备不仅包括焊接装置和焊接系统，还包括 如感应加热器和等离子切割系统等系统。 现在参见图1，发动机驱动的焊接系统10包括封闭焊接电源内部部件的外壳 12。可选地，焊接系统IO还可包括负载眼钩(loading eyehook) 14和/或叉形凹陷(fork recess) 16。负载眼钩14和叉形凹陷16利于焊接设备10的便携性。此外，焊接系统IO 还可包括手柄和/或轮作为提供设备移动性的装置。外壳12还包括多个检修窗(access panel) 18和20。其中一个检修窗18提供了外壳12的顶板22的出口，而另一个检修窗20 提供了外壳12的侧板24的出口。虽然未显示，但相对侧有相似的检修窗。这些检修窗18、 20提供了焊接设备10包括的内部部件的出口 ，正如将要描述的，上述内部部件包括一致操 作从而提供焊接功率的发动机、发电机和能量存储设备或电池。 端板26包括允许气流通过外壳12的透气开口 28。此外，还提供了延伸出外壳12 的顶板22以便排放发动机产生的废气的排气端口 30以及穿过外壳12为发动机输送燃料 的燃料端口32。如图示，燃料端口 32优选地不延伸出顶板22或者侧板24。这种结构可保 护燃料端口 32在输送和操作焊接系统10期间不受损坏。 现在参见图2，发动机驱动的焊接系统10包括一发动机和发电机34，其形成发动 机驱动焊接系统10的主电源。具体地说，发动机和发电机34为辅助功率输出36提供功率， 并且据此描述其为执行在工件40上使用焊炬38的焊接处理提供主要的或者基本的焊接电 源。还包含电池42或者其它能量存储设备，以便为连接的点火单元(ignition皿it)44提 供功率以启动发动机和发电机34，并且起到必备的辅助功率源的作用。
在操作发动机和发电机34期间，为了向焊炬38提供焊接电源，通过整体上标注为 45的多个部件来调节发电机所产生的功率。具体地说，调节部件45通常包括整流器52和 稳定器54。正如本领域众所周知的，发动机和发电机34在该端产生交流电。然后，给整流 器52提供交流电，从而将交流电转换成直流，焊炬38使用焊接电源来完成在工件40上的
5焊接处理。 可以预期焊接处理可包括一种传递模式，其通常被称作短路或者改进的短路传递 模式。在这种情形下，自耗焊丝电极56从焊炬38供给到工件40并且通过将它在工件40 上沉积而被消耗。在为短路或者改进的短路传递模式下，通过周期性地驱动自耗焊丝电极 56接触或者"短路"工件40使得自耗焊丝电极56沉积在工件40上，并随后将自耗电极从 工件40分离。这种将自耗电极56从工件40上分离是通过快速提高沿电极36输送至工件 40的电流完成的，该电流的快速提高是由于通过短路自耗电极56至工件40而导致突发的 阻抗下降造成的。也就是说，由于短路而产生的牵引电流迅速地上升，直到它足以导致短路 断开。 如上所述，尽管发动机驱动焊接电源通常用于驱动使用短路传递模式的焊接处 理，但所希望的焊接处理的有效性受限于发动机和发电机34满足完成给定的使用短路传 递模式的焊接处理的特定功率特性的能力。更特别地，发动机和发电机34具有提供给定功 率特性的有限容量。在典型的焊接处理期间，自耗电极56和工件40之间的电弧电压保持 在大约18伏特。然而，当使用短路传递模式时，由于短路导致电阻快速下降的短路周期期 间，电弧电压下降至大约l伏特。如上所述，短路导致牵引电流快速上升直到短路断开。然 而，当利用发动机驱动的焊接系统时，提供断开短路所需的电流会受到发动机和发电机34 的特性限制。 为在这种情况下补偿发动机和发电机34的能力以满足功率输送要求，本发明应 用电池42作为辅助电源。特别是在短路情况或者将受益于电池42提供的辅助电源的其它 情况下，电池42通过二极管58连接，从而给焊炬38和电极56提供辅助焊接电源。
在操作中，二极管58充当保持电池42从焊炬38和电极56电隔离的开关，除非电 弧电压下降到电池42的电压以下。在这一点上，根据正在执行的焊接处理的操作状态，二 极管58充当可选择地连接和断开电池42与焊炬38的一个控制器，该操作状态通过电极56 和工件40之间的二极管58 "看到"的电压而指示给二极管58。 如上所述，当电池电压为12伏特时，电弧电压保持在电池电压之上，例如18伏特， 直到发生短路。与短路状况有关的快速电压下降导致二极管允许电流从电池42流到焊炬 38。更特别地，当弧电压下降至低于电池电压并且相对于二极管58为可以忽略的电压下降 时，电流从电池42通过二极管58流到焊炬38，以用于补偿从发动机和发电机34输出的焊 接电源。电池42具有提供几乎瞬时并且非常高的电流至焊炬38以用于补偿在短路情况下 通过发动机和发电机34输送的功率的能力，该能力能够使用相对大规格的电极56，而通过 发动机和发电机34是不能获得或者是至少不能快速获得完全断开短路所需的牵引电流。
可以预见，功率调节设备45的连线上各个任意位置中的任一个处连接电池42，从 而提供功率至焊炬38。例如可以预见，电池42可以被连接至稳定器54或者直接连接至焊 接输出端。另外，可以预见，当不需要或不希望电池42提供的辅助电源时，可以提供接触器 59，以便在工作周期期间选择性地将电池42从焊炬38断开。为此，提供用户界面60以允 许用户选择关闭接触器59或者打开电流接触器59，从而分别连接或者断开电池42与焊炬 38。 现在参见图3，示出了用于操作发动机驱动的焊接电源的处理过程61，该发动机 驱动的焊接电源具有输送补充焊接电源的辅助电源，例如上面参考图2所示描述的。当使用者接入(engage)发动机驱动的焊接电源的点火系统时，处理过程61就从62开始，由此 电池提供功率以启动点火系统64。通过监视发动机以确定是否已经开始66而继续处理过 程61。如果发动机还没有开始68，电池继续输送功率至点火系统64以驱动发动机进行它 的启动过程。一旦发动机开始70，功率通过由发动机驱动的发电机输送回，以对电池进行充 电并驱动期望的焊接处理72。 如果使用者选择断开(disengage)连接电池至焊接输出73、74的功能，发动机和 发电机将继续作为驱动焊接处理72的唯一电源。然而，如果使用者选择了从电池输送辅助 电源以便驱动焊接处理73、75的接入功能，只要电池电压保持超过电弧电压76、77，当驱动 焊接处理72时发动机和发电机继续给电池点滴式充电(trickle-charge)。另一方面，一旦 电弧电压下降至低于电池电压78，电池自动地连接至焊接输出端80，以便补偿通过发动机 和发电机系统提供的功率。电池持续提供辅助功率至焊接输出端80直到电池电压下降至 低于电弧电压77，此时前面参考图2描述的二极管将电池从焊接输出端分离并且重新充电 电池72。 因此，上述系统和方法能够为由发动机驱动焊接系统主要驱动的焊接处理提供辅 助的、必需的功率。具体地，将能量存储设备，例如电池连接到焊接输出端，以便在特定焊接 处理的特定周期中，例如在短路情况下提供辅助功率至焊接输出端。在这一方面，该系统利 用了可满足与输出状况下的快速变化相关的功率要求的电池能力，并由此提供一种高通用 性的便携式焊接系统。另外，通过利用设计成驱动发动机驱动的焊机的电启动点火系统的 电池，系统不会显著提高制造成本和/或系统总体复杂性。 根据本发明已经描述的多种实施例，可以理解除了那些已经声明过的实施例之 外，各种等同替换方式、可选例、变形例及其改进都是可行的并且包含在本发明的保护范围 之内。因此，本发明不应该被特定描述的实施例所限制。
权利要求
一种焊接系统，其包括电池；发动机；发电机，其连接到发动机上，从而被驱动产生电力；电力调节电路，其用于将发电机所产生的电力转换成主焊接电力；输出，其用于在焊接处理的第一状态和第二状态期间输送焊接电力以驱动焊接处理；以及控制器，其用于在焊接处理的第二状态期间监视焊接处理并且选择性地将电池连接至输出，以便在焊接处理的第二状态期间提供辅助焊接电力以驱动焊接处理。
2. 如权利要求1所述的焊接系统，其中在第一状态和第二状态期间将主焊接电力输送至输出以驱动焊接处理，并且在第二状态期间仅仅输送辅助焊接电力至输出以补偿主焊接电力。
3. 如权利要求1所述的焊接系统，还包括在启动处理期间用于驱动发动机的点火单元，其中电池连接至点火单元，为点火单元提供可操作的电力以驱动所述启动处理。
4. 如权利要求1所述的焊接系统，还包括接触器，接触器的第一端连接到发电机和输出端之间并且接触器的第二端连接到电池；输出稳定器，其连接至接触器的第一端和输出之间；以及用户界面，用于控制接触器作为选择性地将电池与输出断开的过流开关。
5. 如权利要求4所述的焊接系统，其中控制器包括在电池和接触器之间设置的二极管，以便仅允许电流从电池流出至输出。
6. 如权利要求1所述的焊接系统，其中控制器进一步用于在焊接处理的第一状态期间 使得输出与电池电隔离。
7. 如权利要求1所述的焊接系统，其中辅助焊接电力提供大于由主焊接电力提供的电流的电流。
8. 如权利要求l所述的焊接系统，其中发电机进一步连接至电池，以提供充电电力至电池。
9. 如权利要求l所述的焊接系统，其中焊接处理包括金属惰性气体(MIG)焊接处理。
10. 如权利要求1所述的焊接系统，其中第二状态是短路状态而第一状态是非短路状态。
11. 一种焊接电源，其包括电池；发动机；发电机，其连接到发动机上，从而被驱动产生电力；电力调节电路，其用于将发电机所产生的电力转换成焊接电力，以用于驱动焊接处理；以及控制器，其用于选择性地连接电池至电力调节电路，以便在焊接处理的至少部分期间内利用焊接电力提供将要被输送的辅助电力。
12. 如权利要求11所述的焊接电源，其中焊接处理的所述部分包括焊接处理的短路周期。
13. 如权利要求11所述的焊接电源，还包括启动电路，所述启动电路用于发动机的启动操作以驱动发电机，其中，连接电池以向启动电路提供可操作的电力。
14. 如权利要求11所述的焊接电源，其中发电机进一步用于提供为电池充电的电力。
15. —种驱动焊接处理的方法，其包括操作与发电机连接的发动机，以提供焊接电力至焊接输出，从而驱动焊接处理；并且在焊接处理的至少一部分期间内选择性地连接电池至焊接输出，以提供除焊接电力以外的辅助电力来驱动焊接处理。
16. 如权利要求15所述的方法，还包括同时操作发动机和发电机，以提供焊接电力和充电电力来为电池充电。
17. 如权利要求15所述的方法，还包括闭合和断开开关以选择性地连接电池至焊接输出。
18. 如权利要求15所述的方法，其中与辅助电力相关的电流大于与焊接电力相关的电流。
19. 如权利要求15所述的方法，还包括当发动机和发电机不能提供具有驱动焊接处理所期望的特性的焊接电力时，监视所述焊接电力的至少一个可操作的特性以识别所述焊接处理的一部分；并且当发动机和发电机不能提供具有驱动焊接处理所期望的特性的焊接电力时，在焊接处理的所述部分期间选择性地连接电池至焊接输出以补偿所述焊接电力来提供驱动焊接处理所期望的特性。
20. 如权利要求15所述的方法，其中焊接处理是MIG焊接处理，其中焊接处理的所述部分包括短路周期。
全文摘要
一种用于对发动机驱动的焊接系统提供辅助输出功率的焊接系统和方法。该焊接系统包括电池、发动机和发电机，该发电机连接到发动机上，以对该发电机进行驱动而产生功率的。该系统还包括功率调节电路，其用于将发电机产生的功率转换成主焊接功率、以及输出端，其用于在焊接处理的第一状态和第二状态期间输送用于驱动焊接处理的焊接功率。该系统还包括控制器，其用于在焊接处理的第二状态期间监视焊接处理并且选择性地连接电池至输出端，以便在焊接处理的第二状态期间提供辅助焊接功率来驱动焊接处理。
文档编号B23K9/10GK101743088SQ200880020691
公开日2010年6月16日 申请日期2008年5月20日 优先权日2007年6月21日
发明者理查德·M·哈钦森 申请人:伊利诺斯工具制品有限公司