专利名称：用于等离子切割和标记的气体流量的脉宽调制控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于等离子弧焊炬的气体流量控制，更特别地，涉及通过对流量控制阀在全开状态与全闭状态之间进行循环脉冲调制来调制到等离子弧焊炬的压力和流量。
背景技术：
传统的等离子弧焊炬的基本部件包括本体、安装在本体中的电极、限定用于等离子弧的节流孔(orifice)的喷嘴、可电离气体源以及用于在气体中产生电弧的电源。一旦启动，电流供应到电极(通常为阴极)，并且通常在可电离气体中在电极与喷嘴之间引发维弧，该喷嘴限定阳极。产生从电极到工件的电离气体的导电流，其中该工件于是限定阳极，因此产生从电极到工件的等离子弧。
在启动、操作和关闭期间，必须准确地控制到焊炬的气体的压力和流量。之前已经通过各种方法(包括例如使用具有旁通阀的固定节流孔或电机控制的压力调节器)来执行这样的控制。然而，这些传统的方法存在问题。例如，固定节流孔仅针对特定入口压力提供固定流量，而电机控制的调节器使等离子弧焊炬系统增加了明显的复杂性和成本。因此，一种能够调制气体压力和气体流量二者的用于等离子弧焊炬的控制系统将会是有利的。一种调制气体压力和气体流量二者而不过度增加等离子弧焊炬系统的复杂性和成本的用于等离子弧焊炬的流量控制系统也将会是有利的。本发明的这些和其它优点根据下面的描述将变得明显。
发明内容
本发明的目的和优点将部分地在下面的描述中阐明，或者可以根据描述变得明显，或者可以通过实践本发明来学习。在本发明的一个示例性方面，提供了一种用于控制到等离子弧焊炬的气体流量的方法。该方法可以包括如下步骤提供与等离子弧焊炬相连通的等离子气体源；在所述等离子气体源与所述等离子弧焊炬之间放置阀，以控制到焊炬的等离子气体流量；使所述阀以预定频率在全开状态与全闭状态之间循环；以及在使所述阀循环的步骤中保持到等离子焊炬的相对恒定的等离子气体流量。所述循环步骤还可以包括向所述阀发送信号。该信号可以是阶跃函数信号。可以基于供应到所述阀的入口的气体的压力来确定信号的频率、信号的占空因数或信号的频率和信号的占空因数二者。该方法还可以包括通过改变信号在预定时间间隔内的占空因数来改变到等离子焊炬的气体流量；将到阀的入口的压力调节至预定值；对在所述阀与所述焊炬之间的气体流量进行抑制；测量所述阀的入口处的压力；以及/或者保持在焊炬处的相对恒定的等离子气体压力。所述阀可以是电磁阀或可以在全开和全闭之间循环的其它阀。在本发明的另一个示例性实施例中，提供了一种等离子弧焊炬系统，所述等离子弧焊炬系统包括等离子弧焊炬、通过气体供应管路连接到焊炬的气流阀、连接至气流阀的控制器，所述控制器被配置成向气流控制阀提供信号，由此所述阀在全开状态与全闭状态之间循环以保持到等离子弧焊炬的基本上恒定的气体流量。参照下面的描述和所附权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且这些附图与下面的描述一起用于说明本发明的原理。
针对本领域的普通技术人员的本发明的充分的且能实现的公开内容(包括其最佳模式)在参照附图的说明书中进行了阐述，在附图中图I示出了可以供本发明使用的等离子弧焊炬系统的示例 性实施例的示意图；以及图2示出了可以供本发明使用的、将在下面的讨论中进一步说明的波形图。
具体实施例方式本发明涉及用于等离子弧焊炬的气体流量控制，该控制允许通过对流量控制阀在全开状态与全闭状态之间进行循环脉冲调制来调制压力和流量二者。为了描述本发明，现在详细参照本发明的实施例，在附图中示出了这些实施例的一个或多个示例。每个示例均作为对本发明的说明而被提供，并不限制本发明。事实上，本领域的技术人员显而易见的是，在不背离本发明的范围或精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分而示出的或描述的特征可以与另一个实施例一起使用以得到又一个实施例。因此，本发明意在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这样的修改和变型。图I提供了本发明的等离子弧焊炬系统10的示例性实施例的示意图。等离子弧焊炬100邻近于工件110放置，以进行切割或标记。电源120与焊炬100和工件110 —起配置，使得在通过连接件130和140引发维弧之后，该弧可以被传送至工件110并且通过连接件130和150维持电流。预流入气体源(preflow gas supply) 160和等离子气体源170连接至焊炬100。可以设置调节器180和190以在预气源160与等离子气体源170之间进行调节和切换。以将描述的方式，阀200控制到焊炬100的气体压力和流量。阀200是机电器件，诸如，例如电磁阀。如图I所示，阀200通过气管220连接至焊炬100。控制器210连接至电源120以及阀180、190和200，以提供对等离子弧焊炬系统10的准确操作。图I仅作为示例而提供，在阀200的上游可以使用控制器210、气体源160和170以及调节器180和190的各种其他配置。在系统10的操作中，调节器180和190用于通过管路230来向阀200的入口 205提供所选择的气体压力。尽管在图I中未示出，但是如果需要，可以在阀200的入口 205处放置压力传感器以向控制器210提供实时测量值。在知道该气体输入压力的情况下，控制器210用于以适当的占空比和频率来对阀200进行脉冲调制，使得在阀200的出口 215处提供预定的平均气体压力。结果，到焊炬100的气体流量通过由焊炬100和气管220所提供的流动阻力而进一步受到控制。通过以适当的比率(rate)对阀200的打开或关闭进行脉冲调制，可以将到焊炬100的流量控制达到使用维弧启动焊炬100、将该弧传送到工件110、然后操作焊炬100对工件110进行切割或标记所需要的精确水平。应当注意，控制器210指示阀200全开或全闭。作为机电器件，阀200 (S卩，阀200的线圈)具有相关联的电感以使得通过以适当的比率对线圈进行脉冲调制，可以获得连续的电流，使得阀不是全开或全闭而是在连续力的作用下保持打开。然而，本发明对阀200使用信号以使得阀200在操作期间全开和全闭。更具体地，现在参照图2，波形300示出了当控制器210控制阀200的全开并接着全闭的周期(即，阀200的脉宽调制)时在阀200的出口 215处的压力。波形300还可以被描述为在全开与全闭之间的一系列阶跃函数变化。图2还示出了在焊炬100处最后所得到的压力。由于由气管220和焊炬100提供的流动阻力以及与气管220的长度相关联的容积，可以将在焊炬100处获得的压力控制达到由波形310所示的相对恒定水平，以提供由直线320所示的平均压力。更具体地，在阀与焊炬之间的气管的容积(例如，内横截面面积X长度)具有抑制作用，以减小在焊炬处的气体压力的波动大小。例如，通常气管220可以具有在约15英尺至50英尺的范围内的长度以及约0. 25"的内径。具有更大容积的更大气管将 会增强抑制作用。仍参照图2，Ip6n表示阀200打开的时间，而T表示全打开和全关闭阀的整个周期的时间。如此，以t_n/T的商来计算“占空”因数。因此，在知道在入口 205处对阀200的输入压力的情况下，可以通过以适当的占空比和频率对阀200进行脉冲调制来控制在焊炬100处的平均压力。更具体地，由波形310表示的平均压力是阀入口 205处的压力、占空因数以及由管220和焊炬100提供的流动阻力的函数。通过调节占空因数，可以获得用于既切割又标记的启动模式、维弧模式以及转移弧模式的最佳流量，即便焊炬100操作的每种这样的模式可能需要不同的流量。图2仅作为说明而提供。还可以通过使阀200在全开和全闭之间循环来获得气体流量的其它曲线图。例如，与阶跃变化相比，还可以通过在一定的规定时间间隔内线性地改变占空因数来使到焊炬100的气体流量向上倾斜或向下倾斜。尽管已经针对具体的示例性实施例及其方法详细描述了本主题，但应理解，本领域的技术人员在获得对上述情况的理解时可以容易地制作对这样的实施例的替换、变型以及等同物。因此，本公开内容的范围作为示例而不作为限制，并且主题公开内容不排除包括本领域的普通技术人员使用文中所公开的教导而容易显而易见的、对本主题的这样的修改、变型和/或添加。
权利要求
1.一种用于控制到等离子弧焊炬的气体流量的方法，所述方法包括如下步骤 提供与所述等离子弧焊炬相连通的等离子气体源； 在所述等离子气体源与所述等离子弧焊炬之间放置阀以控制到所述焊炬的等离子气体流量； 使所述阀以预定频率在全开状态与全闭状态之间循环；以及 在所述使所述阀循环的步骤中保持到所述等离子焊炬的相对恒定的等离子气体流量。
2.根据权利要求I所述的用于控制到等离子弧焊炬的气体流量的方法，其中，所述循环步骤还包括向所述阀发送信号。
3.根据权利要求2所述的用于控制到等离子弧焊炬的气体流量的方法，其中，所述信号为阶跃函数信号。
4.根据权利要求2所述的用于控制到等离子弧焊炬的气体流量的方法，其中，基于供应到所述阀的入口的气体的压力来确定所述信号的频率、所述信号的占空因数或所述信号的频率和所述信号的占空因数二者。
5.根据权利要求2所述的用于控制到等离子弧焊炬的气体流量的方法，还包括通过改变所述信号在预定时间间隔内的占空因数来改变到所述等离子焊炬的气体流量的步骤。
6.根据权利要求I所述的用于控制到等离子弧焊炬的气体流量的方法，其中，所述阀为电磁阀。
7.根据权利要求I所述的用于控制到等离子弧焊炬的气体流量的方法，还包括将到所述阀的入口的压力调节至预定值的步骤。
8.根据权利要求I所述的用于控制到等离子弧焊炬的气体流量的方法，还包括对在所述阀与所述焊炬之间的气体流量进行抑制以减小在所述焊炬处的气体压力的波动大小的步骤。
9.根据权利要求I所述的用于控制到等离子弧焊炬的气体流量的方法，还包括测量所述阀的入口处的压力的步骤。
10.根据权利要求I所述的用于控制到等离子弧焊炬的气体流量的方法，其中，所述保持步骤还包括保持在所述焊炬处的相对恒定的等离子气体压力。
11.一种等离子弧焊炬系统，包括 等离子弧焊炬； 通过气体供应管路连接至所述焊炬的气流阀；以及 连接至所述气流阀的控制器，所述控制器被配置成向所述气流控制阀提供信号，由此所述阀在全开状态与全闭状态之间循环以保持到所述等离子弧焊炬的基本上恒定的气体流量。
12.根据权利要求11所述的等离子弧焊炬系统，其中，所述气流阀为电磁阀。
13.根据权利要求11所述的等离子弧焊炬系统，还包括与所述气流阀流体连通的等离子气体源。
14.根据权利要求13所述的等离子弧焊炬系统，还包括连接在所述等离子气体源与所述气流阀之间的压力调节器，由此能够确定在所述气流阀的入口处的等离子气体压力。
15.根据权利要求11所述的等离子弧焊炬系统，还包括与所述气流阀流体连通的预流入气体源。
16.根据权利要求15所述的等离子弧焊炬系统，还包括连接在所述预气源与所述气流阀之间的压力调节器，由此能够确定在所述气流阀的入口处的预气压力。
全文摘要
提供了一种用于等离子弧焊炬的气体流量控制。更特别地，提供了一种调制等离子弧焊炬的压力和流量的方法和设备。对流量控制阀在全开状态与全闭状态之间的循环脉冲调制以相对恒定的压力向所述焊炬提供相对恒定的等离子气体流量。
文档编号B23K9/00GK102712057SQ201080059790
公开日2012年10月3日 申请日期2010年12月21日 优先权日2009年12月30日
发明者雅茨凯·L·温 申请人:Itt制造企业公司