符合本发明的装置、系统和方法涉及焊接，并且更确切地涉及用于焊接并清除短路的装置、系统和方法。
援引并入
本发明总体上涉及在美国专利号6,215,100和7,304,269中的每一个中描述的通用型的焊接系统中的飞溅和热量输入方面的改进，这些专利的全部披露内容通过引用以其全文结合在此。
背景技术：
在电弧焊接中，总体上已知在电极负状态下进行的焊接可能导致焊接操作过程中的总热量输入较低。例如，总体上已知gmaw类型的焊接可以在电极负状态下利用短弧过渡波形完成。然而，已经注意到，当在电极负状态下发生短路并使用负极性来清除短路时，可能发生电弧不稳定性或飞溅事件。也就是说，例如，在某些脉冲周期过程中、尤其在焊接电极非常接近工件进行操作的应用中，熔融金属在从推进的丝电极完全释放之前接触工件。这在推进的丝电极与工件之间形成短路(亦称短接)。所希望的是快速地消除或清除短接以便获得与适当的脉冲焊接相关联的一致性。然而，清除短接可能导致产生所不希望的飞溅。这种飞溅致使焊接过程低效并且可能导致熔融金属飞溅在工件之上，所述熔融金属可能必须在稍后使用例如磨削工具来移除。
通过将常规的、传统的和所提出的方法与本申请的其余部分中参考附图阐述的本发明的实施例相比较，这些方法的进一步的局限性和缺点对本领域内的技术人员而言将变得明显。
技术实现要素：
本发明的示例性实施例是具有或使用输出任何类型的焊接电流的焊接功率转换器的焊接设备和方法，在所述焊接电流中存在电极触碰板或熔池的风险并且在负极性下将发生电弧再起。所述焊接功率转换器向电极和至少一个工件提供焊接波形以便焊接所述至少一个工件。还包括：短路检测电路，所述短路检测电路检测所述电极与所述工件之间的短路事件；以及ac焊接模块，所述ac焊接模块在检测到所述短路事件之后将dc电极负波形的电流的极性从负的改变成正的。在所述电流改变成正的之后，所述焊接功率转换器输出短接清除电流以便清除所述短路事件，并且在所述短路事件被清除之后，所述ac焊接模块将所述电流的极性从正的改变成负的，并且在未检测到所述短路事件的情况下，将所述电流维持为dc电极负焊接波形。
附图说明
通过参考附图来详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和/或其他方面将会更加明显，在附图中：
图1示出了将切换模块合并在焊接电流返回路径中的电弧焊接系统的示例性实施例的框图；
图2示出了图1的系统的一部分的示例性实施例的图，所述部分包括焊接电流返回路径中的切换模块；
图3示出了图1和图2的切换模块的示例性实施例的示意图；
图4示出了用于使用图1的系统来在电弧焊接过程中防止飞溅的方法的第一示例性实施例的流程图；
图5示出了由并不根据图4的方法使用图1-3的切换模块的常规电弧焊机产生的常规脉冲输出电流波形的实例；
图6示出了使用高速摄像技术在具有拴系连接的自由飞行过渡过程中发现的爆裂飞溅过程；
图7示出了由根据图4的方法使用图1-3的切换模块的图1的电弧焊机产生的输出电流波形的实例；
图8示出了用于使用图1的系统来在电弧焊接过程中防止飞溅的方法的另一个示例性实施例的流程图；
图9示出了由根据图8的方法使用图1-3的切换模块的图1的电弧焊机产生的输出电流波形的实例；
图10示出了根据本发明的另外示例性实施例的另外焊接系统的实例，根据本发明的一个实施例，所述另外焊接系统能够执行ac焊接并且能够将电流从负的切换到正的；
图11示出了可以由图10中的系统生成的焊接波形的实例；
图12示出了根据本发明的示例性实施例的波形的短接清除部分的实例；
图13示出了根据本发明的另一个示例性实施例的电压和电流焊接波形的实例；
图14示出了根据本发明的另一示例性实施例的电压和电流焊接波形的实例；
图15示出了根据本发明的另一个示例性实施例的电流焊接波形的实例；
图16示出了根据本发明的示例性实施例的另外电压和电流焊接波形的实例；
图17示出了根据本发明的另外示例性实施例的电压和电流焊接波形的实例；
图18示出了根据本发明的另一个示例性实施例的电压和电流焊接波形的实例；并且
图19示出了根据本发明的另一示例性实施例的电压和电流焊接波形的实例。
具体实施方式
现在将参考附图来在下面描述本发明的示例性实施例。所描述的示例性实施例旨在帮助理解本发明，而不旨在以任何方式限制本发明的范围。贯穿全文，类似参考号表示类似的要素。
在电弧焊接过程中，当电极的尖端与工件之间的距离相当小时，熔融金属可以经由接触过渡过程(例如，表面张力过渡或stt过程)或通过拴系连接进行的自由飞行过渡过程(例如，脉冲焊接过程)过渡。在接触过渡过程中，焊接电极的尖端上的熔融金属球与工件接触(即，短接)并且在熔融金属球开始与电极的尖端基本上分离之前开始“润湿到”工件上的熔融熔池中。
在自由飞行过渡过程中，熔融金属球断裂脱离电极的尖端并且跨电弧朝向工件“飞行”。然而，当电极的尖端与工件之间的距离相当短时，跨电弧飞行的熔融金属球可能在细熔融金属系链仍然将熔融金属球连接到电极的尖端上的同时与工件接触(即，短接)。在这种拴系自由飞行过渡情境中，当熔融金属球与工件接触时，细熔融金属系链由于穿过系链的电流的快速增大而倾向于爆裂，从而引起飞溅，如本文在图6中所示。在dc电极负(cden)状态下进行焊接时尤其可能遇到这种情况。因此，在焊接波形是dcen类型的波形时，本发明的各方面通过在正极性下清除任何短路来解决这个问题。
现在转向图1，图1示出了电弧焊接系统100的示例性实施例的框图，所述电弧焊接系统将切换模块110合并在焊接输出返回路径中并提供焊接输出端121和122。系统100包括功率转换器120，所述功率转换器能够将输入功率转换成焊接输出功率。功率转换器120可以是例如逆变器型功率转换器或斩波器型功率转换器。系统100进一步包括送丝器130，所述送丝器能够将焊接电极丝e馈送穿过例如焊枪(未示出)，所述焊枪将焊接电极丝e连接到焊接输出端121。送丝器130既能够快速地推进丝又能够快速地收回丝。也就是说，送丝器可以具有控制器(诸如已知的送丝器)，所述控制器可以根据命令或如焊接操作所希望地推进和收回丝。推进和收回可以由焊接电源供应器中的控制器或外部控制器根据需要进行控制。此类系统是已知的并且不需要在本文中进行详细描述。
系统100还包括分流器140(或类似装置)，所述分流器可操作地连接在功率转换器120与焊接输出端121之间，用于将焊接输出电流馈送到系统100的电流反馈传感器150，以便感测由功率转换器120产生的焊接输出电流。系统100进一步包括电压反馈传感器160，所述电压反馈传感器可操作地连接在焊接输出端121与焊接输出端122之间，用于感测由功率转换器120产生的焊接输出电压。作为替代方案，切换模块110可以在传出焊接电流路径中合并在例如功率转换器120与分流器140之间、或分流器140与焊接输出端121之间。
系统100还包括高速控制器170，所述高速控制器可操作地连接到电流反馈传感器150和电压反馈传感器160上，以便接收呈表示焊接输出的信号161和162的形式的感测电流和感测电压。系统100进一步包括波形发生器180，所述波形发生器可操作地连接到高速控制器170上，以便从高速控制器170接收告知波形发生器如何实时地适配焊接波形信号181的命令信号171。波形发生器180产生输出焊接波形信号181，并且功率转换器120可操作地连接到波形发生器180上，以便接收输出焊接波形信号181。功率转换器120通过基于输出焊接波形信号181将输入功率转换成焊接输出功率来生成调制焊接输出(例如，电压和电流)。
切换模块110可操作地连接在功率转换器120与焊接输出端122之间，所述焊接输出端在操作过程中被连接到焊接工件w上。高速控制器170还可操作地连接到切换模块110上，以便向切换模块110提供切换命令信号(或消隐信号)172。根据本发明的一个实施例，高速控制器170可以包括逻辑电路、可编程微处理器和计算机存储器。
根据本发明的一个实施例，高速控制器170可以使用感测电压信号161、感测电流信号162或两者的组合来确定在每个脉冲周期过程中，何时在推进电极e与工件w之间发生短接、何时将要清除短接、以及何时实际上已经清除短接。确定何时发生短接和何时清除短接的此类方案是本领域已知的，并且在例如通过引用以其全文结合在此的u.s.7,304,269中进行了描述。当发生短接时和/或当短接被清除时，高速控制器170可以命令波形发生器180修改波形信号181。例如，当确定短接已经被清除时，高速控制器170可以命令波形发生器180将等离子体升压脉冲(见图7的脉冲750)合并在波形信号181中，以便防止紧接在清除先前短接之后发生另一个短接。
图2示出了图1的系统100的一部分的示例性实施例的图，所述部分包括焊接电流返回路径中的切换模块110。功率转换器120可以包括逆变器电源123和续流二极管124。焊接输出路径由于焊接输出路径内的不同电气部件而将具有固有焊接电路电感210。切换模块110被示出为具有与电阻路径112(例如，高额定功率电阻的网络)并联的电气开关111(例如，功率晶体管电路)。
在焊接波形的脉冲周期过程中，当不存在短接时，由来自高速控制器170的切换命令信号172命令电气开关111闭合。当电气开关111闭合时，电气开关111在输出焊接返回路径中提供电阻非常低的路径，从而允许焊接电流穿过开关111自由地返回到功率转换器120。电阻路径112仍然存在于焊接输出返回路径中，但大部分电流将流动穿过由闭合开关111提供的低电阻路径。然而，当检测到短接时，由来自高速控制器170的切换命令信号172命令电气开关111断开。当电气开关111断开时，电流被截断以防流动穿过开关111并且被迫流动穿过电阻路径112，从而导致电流的水平由于由电阻路径112提供的电阻而降低。
图3示出了图1和图2的切换模块110的示例性实施例的示意图。如图所示，切换模块110包括晶体管电路111和电阻器网络112。切换模块110可以包括用于安装模块110的不同电气部件的电路板，所述电气部件包括例如晶体管电路111、电阻器网络112、led和状态逻辑电路。
图4示出了方法400的第一示例性实施例的流程图，所述方法用于使用图1的系统100来在脉冲电弧焊接过程中防止飞溅并清除短接，并且通常在于与焊接相同的极性下清除短接时使用。步骤410表示其中切换模块110的开关111常闭(无短接情况)的操作。在步骤420中，如果未检测到短接，那么开关111保持闭合(无短接情况)。然而，如果检测到短接，那么在步骤430中，命令开关111在短接间隔(即，电极在其间短接到工件的时间段)过程中经历断开和闭合序列。
步骤430中的断开/闭合序列从在首先检测到短接时断开开关111开始。开关111保持断开、持续第一时间段(例如，短接间隔的前10％)。这使输出电流快速减小，所以短接并不立刻断开从而引起大量飞溅。在第一时间段之后，再次闭合开关，并且输出电流在第二时间段过程中斜变以便引起熔融短接部分(moltenshort)开始形成窄颈，以尝试断裂脱离电极并清除短接。在这个第二时间段过程中，在电流斜变时，执行dv/dt检测方案以便预计短接何时将清除(即，颈何时将断裂)。这种dv/dt方案是本领域中众所周知的。然后恰好在短接将要清除之前(例如，在短接间隔的后10％过程中)再次断开开关111，以便再次快速地降低输出电流，从而防止颈部实际断裂时(即，短接实际清除时)的过度飞溅。
在步骤440中，如果短接(电极与工件之间的短接)仍然存在，那么开关111保持断开。然而，如果短接已经被清除，那么在步骤450中，再次闭合开关111。以此方式，在短接情况过程中，开关111经历断开/闭合序列，并且流动穿过焊接输出路径的电流在开关断开时减小，从而导致减少的飞溅。根据本发明的一个实施例，方法400在高速控制器170中实现。此外，根据本发明的一个实施例，系统100能够以120khz的速率做出反应(即，切换模块110能够以这个高速率来接通和切断)，从而对短接的检测和短接清除的检测提供充分的反应，以便以有效方式实现方法400。
根据在某种程度上更简单的替代实施例，替代经历以上参考图4描述的断开/闭合序列，响应于检测到推进的丝电极与工件之间的短接，通过断开开关111、持续至少所确定时间段，从而增大焊接电路路径中的电阻，来减小焊接电路路径的电流。对于大多数脉冲周期，所确定时间段具有允许在不必首先增大焊接电路路径的电流的情况下清除短接的持续时间。在给定脉冲周期过程中，如果短接如所希望地在所确定时间段已经到期之前清除，那么所述过程行进到脉冲周期的下一部分。然而，如果短接在预先确定的时间段内未清除，那么紧接在所确定时间段之后，再次闭合开关111，从而引起焊接电路路径的电流再次增大并清除短接。在这种替代实施例中，开关111简单地响应于检测到短接而断开，持续所确定时间段的至少一部分。在大多数脉冲周期中，无需增大电流以便清除短接。
此外，作为一个选项，当检测到推进的丝电极与工件之间的短接时，可以减慢推进的丝电极的速度。减慢推进的丝电极的速度通过未向短接添加否则将添加那样多的材料而有助于更容易地清除短接。为了减慢推进的丝电极的速度，可以切断推进所述丝电极的送丝器的电动机，并且可以向电动机施加制动。根据不同实施例，制动可以是机械制动或电气制动。
图5示出了由常规脉冲电弧焊机产生的常规脉冲dcen输出电流波形500的实例，所述常规脉冲电弧焊机并不根据图4的方法400或上述更简单的替代方法来使用图1-3的切换模块110，并且其中短接是在与焊接波形相同的极性下清除的。如从图5的波形500可以看出，在发出峰值脉冲510之后，可能发生短接，所述短接在例如时间520处开始，持续直到时间530，例如短接被清除时。时间520和530限定短接间隔540。
如在图5中可以看出，峰值脉冲510是在焊接过程的多个脉冲周期或循环过程中以规则间隔发出的。在任何给定循环或脉冲周期过程中，可能发生或可能不发生短接情况。在常规系统中，当发生短接时，焊接输出路径中存在与电感相比非常小的电阻。电流继续流动，即使电源被切断也是如此。
再次参考图5，在短接间隔540过程中，由于电极e与工件w之间缺少电弧(电阻变得非常低)，并且由于焊接电路电感210起作用来保持电流在焊接输出路径中流动(即使在功率转换器120被相控回到最小水平)的事实，输出电流倾向于增大。电流倾向于增大，直到短接被清除(即，直到熔融金属短接部分断裂脱离电极e)。然而，在此类增大的电流水平下，当短接断开或清除时，增大的电流水平倾向于引起熔融金属爆裂，从而引起飞溅。
图6示出了使用高速摄像技术在具有拴系连接的自由飞行过渡过程中发现的爆裂飞溅过程。高峰值脉冲(例如，510)引起熔融金属球610朝向工件w推出，从而在球610与电极e之间形成窄系链620。当球610跨电弧朝向工件w飞行时，系链620变窄，并且最终，通过系链620在电极e与工件w之间发生短接。对于其中焊接电极非常接近工件进行操作的操作中的几乎每个脉冲周期，这种情况往往都会发生。具体地，发现，对于自由飞行过渡脉冲焊接过程，系链620造成初期短接，并且大量电流可以开始流动穿过窄系链620。增大的电流水平最终引起相当细的熔融系链620爆裂，从而造成飞溅630，如图6所示。然而，通过如本文在以上所描述地合并切换模块110和方法400，可以大大地减少所造成的飞溅630。
图7示出了由图1的脉冲电弧焊机100产生的脉冲输出电流波形700的实例，所述脉冲电弧焊机根据图4的方法400使用图1-3的切换模块110，但其中短接仍然是在与波形700相同的en极性下清除的。如从图7的波形700可以看出，在发出峰值脉冲710之后，可能发生短接，所述短接在例如时间720处开始，持续直到时间730，例如短接被清除时。时间720和730限定短接间隔740。如在图7中可以看出，峰值脉冲710是在焊接过程的多个脉冲周期或循环过程中以规则间隔发出的。在任何给定循环过程中，可能发生或可能不发生短接情况。
然而，当电极的尖端与工件之间的距离相当小时，在几乎每个循环上都可能发生短接。
再次参考图7，在短接间隔740过程中，在首先发生短接时并且再次地在短接将要清除时断开切换模块110的开关111，从而引起输出电流流动穿过电阻路径112，并且因此，引起电流水平降低。作为实例，切换信号172可以是在检测到短接时从高变低、从而引起开关断开的逻辑信号。类似地，当短接被清除时，切换信号172可以从低变高，以便再次闭合开关111。当开关111断开时，电阻路径112在焊接输出路径上放置负载，从而允许续流电流快速下降到所希望的水平。电流倾向于减小、直到短接被清除为止，并且在此类减小的电流水平下，当短接断开或清除时，熔融金属倾向于以不爆裂的形式夹断，从而消除所造成的飞溅或至少减少所造成的飞溅的量。而且，在图7的波形700中，用于帮助防止紧接在恰好清除的短接之后发生另一个短接的等离子体升压脉冲750更突出并且潜在地更有效。
图8示出了一种方法800的另一个示例性实施例的流程图，所述方法用于使用图1的系统100来在脉冲电弧焊接过程中防止飞溅，并且其中短接是在相同极性下清除的。根据一个实施例，方法800由控制器170执行。高速控制器170跟踪短接发生时间和/或短接清除时间，并且提供在至少下一脉冲周期过程中何时将出现短接间隔940(短接发生与短接被清除时之间的时间)的估计值。根据这个估计值，可以确定用于生成消隐信号172的消隐间隔960(见图9)。
在方法800的步骤810中，根据已知技术，系统100在脉冲焊接波形的重复脉冲周期过程中检测短接的发生和/或这些短接的清除。在步骤820中，(例如，由高速控制器170)跟踪在脉冲周期内检测到的短接和/或清除的发生时间。在步骤830中，基于跟踪结果来估计针对下一脉冲周期的短接间隔940(见图9)的位置和持续时间。在步骤840中，基于针对下一脉冲周期的短接间隔的所估计位置来确定针对至少下一脉冲周期的重叠消隐间隔960。在步骤850中，(例如，由控制器170)生成消隐信号(一种类型的切换信号)172，所述消隐信号将在下一脉冲周期过程中被应用到切换模块110。
图9示出了由图1的脉冲电弧焊机100产生的脉冲输出电流波形900的实例，所述脉冲电弧焊机根据图8的方法800使用图1-3的切换模块110，但被示出为处于电极正状态下。应当理解，尽管针对波形900将电流波形示出为处于电极正状态下，但以下讨论在电极负状态下同样可适用。如从图9的波形900可以看出，在发出峰值脉冲910之后，可能发生短接，所述短接在例如时间920处开始，持续直到时间930，例如短接被清除时。时间920和930限定短接间隔940。如在图9中可以看出，峰值脉冲910是在焊接过程中以规则间隔发出的。在任何给定循环过程中，可能发生或可能不发生短接情况。然而，在其中弧长相对当短(即，其中丝电极相当接近工件进行操作)的焊接过程中，在几乎每个脉冲周期中都可能发生短接。
根据方法800，确定脉冲周期内的短接发生时间和/或短接清除时间并且从脉冲周期到脉冲周期地进行跟踪。以此方式，控制器170可以估计将很可能在下一脉冲周期或即将来临的脉冲周期中出现的短接间隔的位置。然而，在脉冲焊接过程开始时，在可获得任何实质性跟踪信息之前，短接间隔的位置可以是基于例如实验数据或来自先前焊接过程的所存储数据的所存储默认位置。消隐信号172可以被适配或修改以在消隐信号172内形成消隐间隔960，所述消隐间隔与针对接下来的脉冲周期的所估计短接间隔940在时间上重叠。理想地，消隐间隔960在下一脉冲周期的短接间隔940不久之前(例如，在时间920之前)开始，并且在下一脉冲周期的短接间隔940不久之后(例如，在时间930之后)结束，因此有时间重叠。在一个实施例中，仅跟踪短接发生时间而不跟踪短接清除时间。在这种实施例中，消隐间隔的持续时间基于经验知识被设定成持续足够长的时间以供短接消除。
以此方式，不必在切换模块110的开关111可以断开之前检测到下一脉冲周期过程中的短接的实际发生。随着脉冲焊接过程的进行，短接间隔的位置可以随着例如丝电极与工件之间的距离的偏移或变化而偏移或变化。然而，在这个实施例中，由于短接间隔的位置是随着时间的推移来跟踪的，因此消隐信号的位置可以被适配成用于有效地遵循并预计短接间隔。通过在消隐间隔960过程中断开开关111，电流下降并且预期系链将在消隐间隔960过程中出现并断裂。
实验结果已经表明，如本文所描述地在特定脉冲焊接情境下使用切换模块110，在清除短接的点的焊接输出电流水平可以从约280安培降低到约40安培，从而在所产生飞溅的量上造成巨大差异。总体上，使电流降低到低于50安培似乎显著地减少飞溅。另外，能够维持行进速度(例如，60-80英寸/分钟)和沉积速率。
在焊接电极与工件之间存在短接时的时间段过程中降低焊接输出电流水平的其他装置和方法也是可能的。例如，在替代实施例中，焊接电源的控制拓扑可以被配置成用于在短接的时间过程中将输出电流控制到高度调控的水平。电源可以在短接间隔过程中将短接电流控制到更低水平(例如，低于50安培)以便减少飞溅。例如，参考图1，切换模块110可以被禁用或消除，从而允许电流在焊接输出电路路径中自由流动。控制器170被配置成用于命令波形发生器180修改焊接过程的输出焊接波形信号181在消隐间隔过程中的部分，以便减小穿过焊接输出电路路径的焊接输出电流。因此，在这个替代实施例中，控制器170通过波形发生器180和功率转换器120而不是经由切换模块110来在消隐间隔过程中减小电流。如果焊接电路的电感210足够低，那么这种替代实施例可以非常良好地运作。
总而言之，披露了一种用于执行产生减少的飞溅的脉冲焊接过程的电弧焊机和方法。焊机在推进的电极与工件之间产生电流。焊机包括用于在于推进的电极与工件之间发生短路时检测短接情况的短接检测能力。焊机被控制以在短接的时间过程中减小推进的电极与工件之间的电流，以便减少短接清除时熔融金属的飞溅。
本发明的一个实施例包括一种用于减少脉冲电弧焊接过程中的飞溅的方法。所述方法包括：使用焊接系统的控制器在脉冲电弧焊接过程的脉冲周期过程中跟踪短接间隔的出现时间。所述跟踪可以基于以下各项中的至少一项：在脉冲焊接过程的脉冲周期过程中检测短接的发生，以及在脉冲焊接过程的脉冲周期过程中检测短接的清除。所述方法进一步包括：基于所述跟踪估计针对脉冲焊接过程的至少下一脉冲周期的短接间隔的时间位置。所述方法还包括：基于所述估计确定针对至少下一脉冲周期的消隐间隔。所述方法可以进一步包括：基于所述消隐间隔生成针对至少下一脉冲周期的消隐信号。所述方法可以进一步包括：响应于所述消隐信号，在消隐间隔过程中增大焊接系统的焊接电路路径的电阻，以便在消隐间隔过程中减小穿过焊接电路路径的焊接电流。增大电阻可以包括：断开布置在焊接电路路径中的切换模块的电气开关。根据一个实施例，电气开关与切换模块内的电阻路径并联。所述方法可以包括：在针对至少下一脉冲周期的消隐间隔过程中减小穿过焊接系统的焊接电路路径的焊接电流，所述减小是通过修改焊接过程的波形在消隐间隔过程中的部分来进行，其中所述波形由焊接系统的波形发生器生成。根据一个实施例，所述消隐间隔与至少下一脉冲周期的预期短接间隔相比在时间上更宽并且在时间上与其重叠。
本发明的一个实施例包括一种用于减少脉冲电弧焊接过程中的飞溅的系统。所述系统包括控制器，所述控制器被配置用于在焊接系统的脉冲电弧焊接过程的脉冲周期过程中跟踪短接间隔的出现时间。所述控制器进一步被配置用于基于所述跟踪估计针对脉冲焊接过程的至少下一脉冲周期的短接间隔的时间位置。所述控制器还被配置用于基于所述估计确定针对至少下一脉冲周期的消隐间隔。所述控制器还可以被配置用于基于所述消隐间隔生成针对至少下一脉冲周期的消隐信号。根据一个实施例，所述消隐间隔与至少下一脉冲周期的预期短接间隔相比在时间上更宽并且在时间上与其重叠。所述系统可以进一步包括切换模块，所述切换模块被布置在焊接系统的焊接电路路径中并且可操作地连接到控制器上。所述切换模块被配置成用于响应于所述消隐信号，在消隐间隔过程中增大焊接系统的焊接电路路径的电阻，以便在消隐间隔过程中减小穿过焊接电路路径的焊接电流。所述切换模块包括并联的电气开关和电阻路径。所述控制器可以被配置用于在针对至少下一个脉冲周期的消隐间隔过程中减小穿过焊接系统的焊接电路路径的焊接电流，所述减小是通过修改焊接过程的波形在消隐间隔过程中的部分来进行。所述控制器可以进一步被配置成用于在脉冲焊接过程的脉冲周期过程中检测短接的发生并且在脉冲焊接过程的脉冲周期过程中检测短接清除的发生。
本发明的一个实施例包括一种用于减少脉冲电弧焊接过程中的飞溅的方法。所述方法包括：使用焊接系统的控制器在脉冲电弧焊接过程的脉冲周期过程中检测短接。所述方法进一步包括：响应于检测到所述短接，增大焊接系统的焊接电路路径的电阻、持续第一时间段，以便减小穿过焊接电路路径的焊接电流。所述方法还包括：紧接在第一时间段之后，减小焊接系统的焊接电路路径的电阻、持续第二时间段，以便增大穿过焊接电路路径的焊接电流。所述方法进一步包括：紧接在第二时间段之后，增大焊接系统的焊接电路路径的电阻、持续第三时间段内，以便减小穿过焊接电路路径的焊接电流，以预期清除短接。增大电阻可以包括：断开布置在焊接电路路径中的切换模块的电气开关。减小电阻可以包括：闭合布置在焊接电路路径中的切换模块的电气开关。所述方法可以进一步包括：检测短接已经清除，并且响应于检测到短接已经清除而减小焊接系统的焊接电路路径的电阻。
本发明的一个实施例包括一种用于减少脉冲电弧焊接过程中的飞溅的方法。所述方法包括：使用焊接系统的控制器在脉冲电弧焊接过程的脉冲周期过程中检测工件与推进的丝电极之间的短接。所述方法进一步包括：响应于检测到短接，减小焊接系统的焊接电路路径的电流、持续所确定时间段的至少一部分，其中，在脉冲电弧焊接过程的大多数脉冲周期过程中，所确定时间段具有允许在不必首先增大焊接电路路径的电流的情况下清除短接的持续时间。减小电流可以包括增大焊接电路路径的电阻。增大电阻可以包括断开布置在焊接电路路径中的切换模块的电气开关，其中切换模块包括电气开关，所述电气开关与电阻路径并联。所述方法可以进一步包括：如果短接尚未清除，紧接在所确定时间段之后增大焊接系统的焊接电路路径的电流。增大电流可以包括减小焊接电路路径的电阻。减小电阻可以包括：闭合布置在焊接电路路径中的切换模块的电气开关，其中切换模块包括电气开关，所述电气开关与电阻路径并联。所述方法可以进一步包括：响应于在电极与工件之间检测到短接而减慢推进的丝电极的速度。减慢推进的丝电极的速度可以包括：切断推进所述丝电极的送丝器的电动机并向电动机施加制动。根据不同实施例，制动可以是机械制动或电气制动。
应当注意，尽管以上讨论总体上涉及在与焊接波形(无论它是dcen还是dcep)相同的极性下清除短路，但是类似的逻辑和控制方法可以在本发明的其中焊接波形是dcen波形、但是短路是在ep状态下清除的实施例中使用。这将在下面参考图10-12来进一步描述。
图10-12描绘了实现改进的性能、飞溅控制和热量输入的另一种用于脉冲焊接的设备和方法。确切地，图10-12所示的实施例利用dcen焊接波形，其中短路是在ep状态下清除的，这将在下面更详细地描述。
图10描绘焊接系统1000的示例性实施例，所述焊接系统与本文描述的系统100在构造和操作上的类似之处在于：系统1000能够使用脉冲焊接(包括本文讨论的实施例)来焊接工件w。系统1000具有与以上所讨论类似的部件，包括波形发生器180、功率转换器/逆变器120、分流器140、切换模块110、高速控制器170、电压反馈装置160、电流反馈装置150等。然而，这个示例性实施例还利用ac焊接模块1010。模块1010被构造并配置成能够在焊接过程中向工件提供ac焊接信号，或至少在希望时、诸如在短路事件过程中改变焊接信号的极性。在图10所示的系统1000中，模块1010被示出为是与功率转换器/逆变器120分离的部件，并且事实上，可以是耦接到位于功率转换器/逆变器120的外壳外部的电源供应器上的分离模块。然而，在其他示例性实施例中，模块1010可以与功率转换器/逆变器120制成一体，这样使得它们在单个外壳内。如同以上所描述的实施例，功率转换器/逆变器120可以是能够输出焊接信号的用于焊接应用的任何类型的已知供电模块，并且如图所示，可以包括至少一个变换器。如图10所示的ac焊接模块1010的配置旨在是示例性的，并且本发明的实施例不限于使用所示配置，而是可以使用其他电路来提供ac焊接信号，如下面所描述。如图10所示的模块1010在构造上类似于通过引用以其全文结合在此的美国专利号6,215,100中所描述的、并且更确切地如参考所结合专利的图4所描述的ac焊接电路。由于这个电路的操作和构造在所结合专利中有详细讨论，因此本文将不再重复那个讨论，因为它通过引用被结合。然而，为了清楚起见，如图10所示的波形发生器/控制器180可以体现6,215,100专利的图4所示的控制器220。此外，即使高速控制器170被示出为是与控制器180分离的模块，但是在其他实施例中，高速控制器170可以与控制器180制成一体。而且，如图10所示，在一些实施例中，电流反馈装置150可以直接耦接到控制器180上，这样使得这个反馈装置可以由控制器180用来控制模块1010，如6,215,100专利中总体上所描述。
在本发明的一些示例性实施例中，利用ac模块1010的实施例中可以不存在切换模块110。这是因为开关q1和q2可以按与以上所描述的切换模块110类似的方式来利用。也就是说，开关q1和/或q2可以在波形的恒定极性部分过程中以类似方式来控制，这样使得不利用切换模块110。
如图10所示，模块1010具有两个开关q1和q2，所述开关用于控制穿过感应器l1的电流流动，这样使得可以控制电流穿过电极e和工件w的流动，其方式为使得信号的极性可以在焊接过程中反转。确切地，电流的流动可以由开关q1和q2控制，这样使得电极e在焊接波形的一部分过程中是正的，并且然后针对波形的剩余部分被切换成负的。当开关q1闭合并且开关q2断开时，电流流动是这样以使得电极e具有正极性，并且当开关q2闭合并且开关q1断开时，电极e具有负极性。缓冲器1011和1013以与以上所描述的电阻112类似的方式使用，并且可以用于实现stt类型的电路控制。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以采用其他ac焊接电源供应器和ac焊接电路。
如本申请的图5、7和9所示，脉冲焊接可以在整个焊接形式具有一个极性(典型地是正的)时执行。这意味着贯穿焊接过程在单个方向上的电流流动。如早先所解释的，当在一个极性下进行焊接时，可能有利的是在相反极性下清除短路。这在焊接波形是dcen波形并且发生短路事件时尤其适用。已经发现，在电极正模式下清除短路存在优点。
图11描绘了根据本发明的示例性实施例的电流波形1100。如可以看出的，波形1100主要是dcen波形。这个实例中所示的波形是示例性脉冲焊接波形，但是可以采用任何其他类型的decn焊接波形，包括但不限于表面张力过渡(stt)或可以在dcen模式下进行焊接的任何其他波形。这个波形出于示例性目的被示出。
波形1100具有基值电流水平1101和各自具有峰值电流水平1103的多个脉冲1110。如图所示，在脉冲1110之后，发生短接事件1105，在所述短接事件中，在电极与工件之间发生(或将要发生)短路情况。在本发明的实施例中，当发生或检测到短路事件时，电源供应器(例如，如图10所描述)在实施短接清除功能之前将极性从dcen切换到ep。因此，如图所示，在短路事件时，波形1100的极性从en切换到ep，这样使得在波形处于ep状态下时出现短接间隔1123。一旦在ep状态下，电源供应器就可以使用任何已知的短接清除脉冲1120或功能来清除短接。例如，可以利用标准短路清除功能。可替代地，如图11所示，升压脉冲或等离子体升压脉冲1121可以如所希望地在短接已经清除之后实现以便提供电极的进一步回烧。在清除短接之后使用升压脉冲或等离子体升压脉冲是已知的并且不需要在本文进行详细描述。
一旦已经在ep状态下完成短接清除脉冲1120或功能，电源供应器就将波形1100的极性从ep切换到en，并且dcen波形1100继续。例如，如图所示，达到并保持基值电流1101，直到触发下一脉冲1110为止。电流极性的切换可以由例如图10所示的系统完成。当然，可以利用能够在ac模式下进行焊接的其他电源供应器来实施本发明的实施例。
如先前所解释的，已经发现，当短接在en状态下被清除时，这有时可能引起过度飞溅。这可能是由于在短接在en下清除时在电极上提升的喷射力。已经确定，在ep状态下清除短接导致对短接的更稳定清除以及更少的飞溅。
本发明的各方面可以用不同方式来实现，这将在下面进行简要描述。也就是说，在一些示例性实施例中，从负极性到正极性的改变可以在发生短路(电极与熔池之间的物理接触)之时或之后发生，或者所述改变可以在发生实际短路之前发生。在第一实例中，电源供应器通过监测电压和/或电流来检测短路。这种监测和检测是总体上已知的。当检测到短路时，电源供应器切换电流的极性并且驱动电流处于ep状态下，直到短接被清除并且焊弧被重新建立这样的时候。当电弧被重新建立时，电源供应器再次切换极性以便返回到dcen波形1100。在其他示例性实施例中，电源供应器可以使用可以例如监测dv/dt的预警电路(总体上已知的)，并且当确定短路事件即将发生时，电源供应器可以将波形1100的极性从en切换到ep以便清除短路。出于本申请的目的，对短路事件包括的检测：对实际短路状态的检测或通过使用预警电路(或类似物)对即将来临的短路事件的确定。因此，本发明的实施例可以使用对短路事件的检测来触发极性的切换。
如以上所解释的，在ep状态下进行的短接清除可以用任何数量的方式来进行，只要短接在波形1100返回到en状态之前被清除即可。图12是根据本发明的一个实施例的短接清除事件的示例性表示。如图所示，短路检测事件在点1105处发生(无论它是实际短路还是对将要发生的短路的预警)，在短路检测事件之后，电源供应器(例如，在图10中)将电流从en状态驱动到ep状态，如图所示。在所示实例中，电流被驱动到第一电流水平1123，以便建立足以激发焊弧并且开始清除短路、例如开始使电极颈缩的电弧。在第一电流水平1123之后，电流在短接被清除的同时被驱动到第二电流水平1125，其中第二电流水平1125小于第一电流水平1123。在这个实施例中，更低的第二电流水平将帮助防止当短接在点1107处清除时造成太多飞溅。在一些示例性实施例中，在短接清除1107之后，波形可以被驱动回到en状态。然而，在所示实施例中，升压脉冲1121被利用来在返回到en状态之前回烧电极并确保电弧稳定，其中升压脉冲1121的电流峰值高于第一电流水平或第二电流水平中的任一者。在一些示例性实施例中，电流在升压脉冲1121之后返回到en。然而，如图12所示，在其他示例性实施例中，在电流返回到en状态之前实现以下电弧稳定时段1127，其中电流在电弧和焊点熔池稳定的同时保持ep持续一定持续时间。在一些示例性实施例中，电弧稳定时段是在0.5ms至5ms的范围内。在其他示例性实施例中，如果需要的话，所述范围可以更长。此外，在一些示例性实施例中，电弧稳定时段的电流水平与en波形1100的基值部分1101的电流水平相同。例如，如果基值水平1101是-40安培，那么时段1127的电流水平将是+40安培。在其他示例性实施例中，电弧稳定时段1127的电流水平是在基值电流水平1101的85％至120％的范围内。在此类实施例中，稳定时段1127还可以用于帮助在焊接过程中控制到焊点中的热量输入。也就是说，电流水平可以被调整以便确保到焊点中的足够和/或稳定的热量输入。通过改变这个电流水平，电源供应器可以使用ep稳定时段1127来控制到焊点中的输入热量的方面。另外地，时段1127的持续时间可以由电源供应器(例如，在图10中)调整，这样使得如所希望地控制热量输入。例如，如果所希望的是增加到焊点中的热量输入，那么电源供应器可以增加电流水平和/或时段1127的持续时间，以便增加到焊点中的热量输入。此外，在本发明的其他示例性实施例中，时段1127的电流水平低于基值水平1101并且是在基值水平的75％至95％的范围内。(例如，如果基值水平是-50安培，所述范围将是+37.5安培至+47.5安培)。在此类实施例中，在希望维持低热量输入的情况下，来自时段1127的热量输入被保持在最小。
如先前所解释的，本发明的示例性实施例不限于使用以上讨论的电流波形或焊接过程，并且可以利用其他焊接过程。例如，如图13所示，可以使用恒定电压类型的波形，其中波形的大部分在负极性下，而短接清除是在正极性下。如图所示，电压波形1300具有在负极性下的峰值电压1303和基值电压1301，但当检测到短路检测事件时，针对短路清除部分1305(电压)和1315(电流)，电压和电流被改变到正极性。在所示示例性实施例中，等离子体升压部分(1309和1319)在短路被清除之后实现。当然，在其他示例性实施例中，可以不利用等离子体升压，或可以使用其他短接清除后功能。从负电流到正电流的过渡可以如以上所描述地实现。
如以上所描述的，可以使用不同方法来检测或确定短路事件，包括已知的检测或预测短路事件的方法。例如，一些示例性实施例可以使用所检测电弧功率和/或电弧电压来确定何时将发生或已经发生短接事件。在示例性实施例中，电压和/或电流的阈值可以被设定成使得当所检测电压或功率超过电压和/或功率阈值时，发起极性的改变。例如，在一些实施例中，基于所希望的电弧长度来选择阈值电压和/或功率水平。这将确保极性在电弧长度在切换之前处于或接近所希望的电弧长度时切换。在一些示例性实施例中，所希望的电弧长度是在0.2mm至0.5mm的范围内。这种控制方法在一些实施例中可能是所希望的，因为当使用负极性时，电弧力在耗材上比在熔池上更难提升，并且因此电弧长度将快速增长。通过检测并利用瞬时功率和/或电压并将其与对应于切换电弧长度的阈值进行比较，可以在所希望的点处切换极性。阈值功率和/或电压值可以基于与焊接过程和操作相关的不同输入参数(包括用户输入信息)来设定，并且电源供应器/控制器可以使用查询表等来设定所希望的极性切换功率和/或电压值。应当注意，在本发明的实施例中，如本文所描述的短路事件或短路检测事件可以是使用本文所描述的方法对实际短路的检测抑或对即将来临短路的预测。此外，如本文所讨论的，短接清除事件或短路清除事件可以意指耗材与熔池的实际断开连接抑或对耗材的即将来临的脱离或分离的确定。同样地，短接清除事件可以使用以上所描述的用于检测短路事件的方法、例如使用电压、dv/dt等来检测。例如，对电弧的存在或再起(其指示分离)的检测可以在短接清除事件中使用并包含在其中。此类检测方法和电路是本领域技术人员已知的。在本文的示例性实施例中，相同短路检测电路(已知的)可以用于检测短接清除事件。同样地，此类电路是已知的并且它们的结构和操作不需要在本文中进行详细描述。
在其他示例性实施例中，电源供应器还可以利用用于检测或确定焊接波形的比率dj/dt(输出焦耳的变化对时间的变化)，并且当所检测的变化速率达到预先确定的阈值时，电源供应器从负极性切换到正极性。例如，当利用负脉冲焊接波形时，在每次脉冲过程中在电极的末端处形成大熔融球。dj/dt检测电路(它可以被构造成类似于di/dt或dv/dt电路，并且使用已知的电路配置)可以存在于控制器170和/或发生器180中，并且可以用于预测熔融球的大小或与短路事件的接近度，并且当所检测的dj/dt比率达到预先确定的阈值或值时，电流从负极性切换到正极性。在示例性实施例中，dj/dt预先确定的阈值或值是在控制器170中基于与焊接操作相关的输入信息确定的，并且在焊接操作开始之前呈现，并且将实际dj/dt比率与这个阈值相比较以便确定电流应当何时从负极性切换到正极性。在本发明的示例性实施例中，dj/dt比率可以与电极的末端上的熔融球的相对大小相关联，这样使得当达到dj/dt阈值时，熔融球准备好从电极过渡到熔池，但球尚未与熔池进行接触。因此，在球过渡之前，电流的极性从负切换到正但保留在低电流水平处，这样使得液滴可以朝向熔池移动并且在相对低的电弧力下触碰熔池。一旦熔融球接触熔池，控制器然后就在正极性下发起短接清除功能，并且一旦短接清除功能完成，就将极性切换回到负。通过在切换到正极性之后使用低电流水平，球过渡可以在正极性下在低电弧力下发生，以便提供稳定且受控的液滴过渡。在一些示例性实施例中，在切换到正之后的低电流水平是在5安培至100安培的范围内，并且这个电流水平被维持直到液滴与熔池进行接触，此时实施短接清除功能。在其他示例性实施例中，电流是在5安培至40安培的范围内。
下面在图14至19中示出可以与本文所描述并结合的示例性系统一起使用的另外示例性波形。下面讨论的示例性波形可以通过以上讨论以及以上所结合专利中讨论的示例性系统和控制方法产生，以上所结合专利即美国专利号6,215,100和7,304,269，这些专利的全部披露内容通过引用以其全文结合在此。此外，美国专利号8,373,093的披露内容也以其全文结合在此。本文和下面所描述的示例性波形可以根据需要用于控制到焊接操作中的热量输入，并且在不折衷焊缝质量的情况下提供所希望的焊透。进而将讨论波形和焊接方法。应当注意，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，下面所描述的波形可以在任何数量的焊接类型的操作(诸如，gmaw)中使用，并且可以与不同类型的耗材(诸如，实心的、包芯的和金属芯的)一起使用。
现在转向图14，示出了示例性电压波形1410和电流波形1420。在一些方面中，电流波形1420类似于已知的stt类型的焊接波形，它是已知的。例如，示例性stt类型的波形在至少以上参考文献‘100专利的图7和8以及以上引用的‘093专利的图1a(连同其对应所附讨论)中示出。由于此结合引用，将不在本文描述stt类型的波形的细节。然而，在本发明的示例性实施例中，波形1420可以用于明显地减少到焊接操作中的热量，并且因此允许焊接更薄的材料，以及从具有减少的热量输入获得的其他优点。如图14所示，这通过将stt脉冲分成两个不同极性来完成，其中负峰值和尾拖电流用于减少热量输入。如同典型的stt，电流具有加热电极的末端处的熔融球的基值电流水平(在a处示出)。当熔融球与熔池进行接触并开始短接时，电流水平下降(在点b处)以便允许球润湿到熔池中。在电流水平在b处下降之后，在点c处使用正捏缩电流以便允许球从电极夹断。当捏缩点逼近时，电流水平—在点d处—再次下降到允许球分离发生而无显著飞溅的水平。这个水平可以低于基值电流水平。同样地，这类似于如在本文结合的专利中描述的已知stt类型的过程。在已知stt波形中，一旦在点d处的低电流水平过程中重新建立电弧，就发起峰值电流脉冲。然而，不同于那些已知系统，在当前示例性实施例中，起始稳定电流阶段—见e。因此，在示例性实施例中，不是立即脉冲发送电流，而是维持低正电流水平、持续预先确定的持续时间t，以便允许电弧在于与捏缩电流脉冲c相反的极性下发起峰值电流脉冲之前稳定。这个预先确定的持续时间t允许电弧在起始极性变更之前达到稳定状态，并且可以由焊接电源供应器的控制器/cpu基于给定焊接操作的输入参数来预先确定。例如，预先确定的持续时间可以基于电极类型、送丝速度、峰值电流水平、行进速度等来确定。使用此信息，可以使用查询表来确定稳定持续时间t。在示例性实施例中，稳定持续时间t是在0.05ms至10ms的范围内。在其他示例性实施例中，持续时间t是在0.1ms至2.5ms的范围内。如图所示，稳定持续时间在点1421处开始。在示例性实施例中，稳定持续时间t在检测到电弧发起时开始。这可以基于对超过阈值水平的电压水平的检测和/或对dv/dt检测的使用来确定，其中可以检测电压的变化速率以便确定已经建立电弧。在现有系统中，点1421是将已经发起峰值脉冲时的点。然而，在所示示例性实施例中，起始持续时间t。在持续时间t到期之后，在点1423处，电流极性改变以便发起峰值电流脉冲f以及之后的尾拖g。在这个波形中，峰值和尾拖是在相同的极性下进行，但不同于捏缩电流和基值电流(总体上见a、c、d和e)。峰值和尾拖用于在电极与熔池之间造成分离并且供应热量以便熔化电极的末端，从而产生准备好过渡的下一液滴。通过使用这个相反极性，相同或类似的分离距离得以实现，但这是在更少的加热动作下实现的，由此向熔池添加更少的所不想要的热量。因此允许焊接更薄且更加热敏感的材料。在尾拖时段g之后，电流在点1425处切换回到相反极性。在示例性实施例中，这个切换点处于预先确定的电流切换水平下。在一些示例性实施例中，这个电流切换水平可以低于75安培。在其他示例性实施例中，切换电流是在35安培至150安培的范围内。在任何情况下，切换电流应当处于使得切换电路不过热的水平下。切换电流可以由焊接系统控制器使用诸如峰值电流等来自焊接操作的信息预先确定。在其他实施例中，切换电流可以基于焊接系统的限制预先确定，这样使得电路在操作过程中不过热或被损坏。
应当注意，在所示实施例中，持续时间t过程中的电流水平处于与阶段d过程中的分离电流相同的水平。然而，在其他示例性实施例中，情况可以不是这样。例如，在一些实施例中，稳定电流e可以高于分离电流d，而在其他实施例中，稳定电流可以是更低的。例如，在一些示例性实施例中，稳定电流e可以是在高于分离电流的5％至25％的范围内。当然，其他实施例不限于此，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以使用其他变型。
图15描绘了本发明的另一个示例性实施例，其中示出示例性电流波形1500。在这个实施例中，整体焊接波形包括波形的交替时段。例如，波形1500可以具有其中波形实施至少一个单极性脉冲循环(例如，stt循环)的第一时段1510，之后是波形的其中使用交替极性循环的时段1520。例如，在一些实施例中，对于焊接波形1500的至少一部分1510，执行多个正stt类型的循环，并且对于波形1500的第二部分1520，使用交替电流stt循环。这个实施例可以用于控制热量输入以便达到如所需要的热量输入水平。因此，在示例性实施例中，整体波形1500可以具有交替时段，其中正时段1510持续1至n个循环，并且交替时段1520持续1至p个循环。所确定的每个交替时段中的循环数量可以由电源供应器控制器基于用户输入信息—用于获取所希望的热量输入的水平—来确定，或可以确切地由用户使用电源供应器上的用户输入装置来确定。此外，在一些示例性实施例中，焊接系统可以监测和/或计算来自焊接操作的总热量输入，并且如果所检测/所确定的热量超过阈值水平，电源供应器自动地实施波形的第二时段，所述第二时段包括多个交替电流循环，如以上所描述。在这种系统中，电源供应器控制器可以继续监测和/或确定热量输入，并且在热量下降到低于阈值水平这样的时候，电源供应器可以返回到单极性循环时段。
现在转向图16，描绘了另一个示例性焊接波形。除了有助于管理热量输入，图16所示的焊接波形还有助于保护免于在焊接过程中、尤其是在根部焊道中进行焊接时出现磁性电弧偏吹，同时提供所希望的焊透。总体上已知在焊接钢、例如钢管时，因为由于在单极性下进行焊接而在工件中赋予的残余磁性，焊接电弧可能被拉出焊缝。因此，一些焊接技术尝试在这些应用中使用ac类型的焊接波形，以企图使磁化最小化。然而，这些解决方案导致具有降低的热量的焊接波形并且因此导致减小的焊透。这是所不希望的，尤其是在其中需要足够的热量来获得足够且完全的焊透的闭合根部焊道焊接操作中。图16描绘了可以管理热量输入、减少的磁化和电弧偏吹的问题、并且还实现不同焊接操作(包括根部焊道焊接)所需要的所希望的焊透的示例性电压和电流波形。
如图16所示，示出了示例性电压波形1610和电流波形1620。像以上所讨论的，电流波形1620在一些方面与以上所讨论的stt类型的波形的类似之处在于：电流在检测到短接之后被捏缩，并且当电弧再起时，使用峰值脉冲。然而，如图所示和以下所讨论的，这个示例性波形在一些重要方面有所不同。例如，在图16所示的实施例中，短路并且因此液滴从耗材的过渡是在负极性下发生的。这在下面进行更全面的解释。像已知波形，基值电流是在正极性-a下。基值电流处于应当促进短路事件的电流水平下。应当注意，如本文所使用的，“短路事件可以意指实际短接，抑或还可以意指对即将来临的短接的预测。示例性实施例可以使用对短路事件的检测作为短路事件，并且可以基于对那个事件的检测来如本文所描述地控制波形。此外，本文的一些实施例(关于任何波形或图)在并不旨在进行限制、而是旨在简单地描述短路事件的情况下提及短路检测或短路预测。在一些示例性实施例中，基值电流不应当低于100安培，但应当足够高以维持电弧。当然，电流水平可以根据送丝速度等改变。在检测到短路1621时(当耗材与熔池进行接触时)，电流被驱动到低负极性水平(液滴接合水平)1622。因此，尽管电弧由于短接而熄灭，但极性被改变。短接可以经由已知检测方法来检测。初始电流水平b应当相对低，但足以允许液滴与熔池接合。在示例性实施例中，负接合水平b是在35安培至75安培的范围内。在其他示例性实施例中，水平是在40安培至65安培的范围内。这个接合水平b被维持持续允许液滴充分接合到熔池的预先确定的持续时间。在示例性实施例中，接合水平b的持续时间是在0.3ms至2ms的范围内。在其他示例性实施例中，这个接合持续时间是在0.5ms至1ms的范围内。接合持续时间可以由控制器基于诸如wfs、峰值电流、输入功率等用户输入来确定。在接合时段到期之后，负电流以第一斜变速率c增大到点1623，并且然后按照第二斜变速率d增大到峰值电流水平1624。一旦峰值电流水平1624已经将捏缩电流驱动到高得足以再起电弧或足以用于dv/dt检测以便预测电弧再起，就使输出快速下降并且(当达到所希望的低电流时)使极性反转到具有峰值电流水平1625的正脉冲e，其中，在一些示例性实施例中，峰值正电流水平1625小于峰值负电流水平1624。在示例性实施例中，负峰值1624达到高得足以清除短接的水平，所述水平处于任何所需的水平并且可以大于正峰值电流1625。在一些示例性实施例中，正峰值电流1625是在负峰值电流1624的50％至150％的范围内。在另外的示例性实施例中，峰值电流是在峰值电流1624的90％至110％的范围内。此外，第一斜变速率和第二斜变速率(c和d)各自小于用于将电流从峰值负点1624改变到峰值正点1625的斜变速率。应当注意，在所示实施例中，峰值正电流水平1625小于负电流峰值水平1624。然而，在其他示例性实施例中，情况可以不是这样。在一些实施例中，峰值电流1625可以由查询表基于焊接输入参数来确定，并且捏缩电流1624由过渡液滴所需的捏缩力的量来确定，并且因此峰值1625在一些情景下可以高于峰值1624。
如以上所解释的，第一斜变速率c用于将负电流从液滴接合水平1622驱动到过渡水平1623。第一斜变速率c高于第二斜变速率d。此外，过渡水平/点1623处于在正峰值电流水平1625的40％至150％的范围内的电流水平下。在其他示例性实施例中，过渡点1623是在正峰值电流水平1625的50％至75％的范围内，而在又其他实施例中，所述点是在峰值电流1625的55％至65％的范围内。在实施例中，具有这种关系允许顺利清除短接。在过渡点1623之后，电流斜变速率减慢到第二斜变速率部分，以便使电流达到负峰值1624。在示例性实施例中，负峰值1624是在200安培至600安培的范围内，并且在一些示例性实施例中，是在275安培至350安培的范围内。在其他示例性实施例中，电流在第二斜变速率阶段d过程中增大，直到检测到事件为止。在一些实施例中，所述事件是对液滴从耗材分离的检测，或者可以是对即将来临的分离的检测或确定。例如，预警电路可以用于检测液滴从耗材分离之前的电压变化或dv/dt变化。因此，在一些示例性实施例中，对事件的检测或预测触发极性从负到正的改变，如图所示。这个检测事件/阈值水平可以基于焊接参数来确定。以上所描述的电流斜变速率曲线允许在处于负极性下时以受控制方式发生液滴过渡。在一些示例性实施例中，电弧检测/预测(经由预警电路)事件引起控制器闭合电流减小装置或电路(总体上已知)，并且当电流下降到低于阈值(例如，50安培至100安培)时，极性改变。
在对液滴分离的检测/预测之后，电流以快的电流斜变速率改变到峰值正水平1625，如以上所描述。而且，如图所示，在相应电压波形1610中，电压尖峰1611出现在从负到正的过渡过程中。在示例性实施例中，这个电压尖峰是在60伏特至90伏特的范围内。这个电压尖峰有助于在电流从负转变到正时快速地重新建立焊弧(如应当理解，电弧在从负转变到正时暂时熄灭)，同时使电弧极性过渡中的爆裂风险最小化。在一些实施例中，电压尖峰是液滴在极性切换时或至少恰好在切换之前已经从电极/耗材分离的指示。同样地，这个电压尖峰有助于在电流从负极性转变到正极性之后重新点起电弧。
正脉冲e的电流峰值典型地在电流尾拖到基值水平、直到检测到另一个短接为止之前被维持持续一定时间段。正峰值的持续时间在一些实施例中可以是预先确定的，并且是在1ms至5ms的范围内，并且在其他实施例中，可以是在1ms至3ms的范围内。持续时间可以基于焊接操作的各方面(诸如丝类型、保护气体类型、wfs等)来确定。以上所描述的示例性实施例可以通过使电弧偏吹最小化、管理热量输入和提供最佳焊透来改进焊接操作。另外地，如以上所描述的实施例改进短路之后的焊接再起，而不具有大多数可变极性过程所常见的热量输入损失。
现在转向图17，示出了另一个示例性焊接波形。像以上的示例性实施例，这个所描绘的实施例与以上所讨论的stt类型的波形具有相似性，并且应当注意，图17(以及图18和19)所示的波形的分量用于与以上讨论的那些类似的目的，并且因此这里将不再重复。应当注意，在示例性实施例中，参考图17所描述的波形可以在其中送丝速度明显地超过200ipm的应用中使用，并且可以在其中wfs是在200ipm至400ipm的范围内的焊接操作中使用。当然，还可以使用其他速度，但在一些实施例中，波形的性能在更高送丝速度操作中得到改进。
如图17所示，示出了电压波形1710和电流波形1720。这些波形是示例性的并且其他实施例可以使用类似结构的波形。在以上所讨论的实施例的一些中，事件在检测到丝与熔池之间的短接之后发生。然而，在一些情景下，短接事件可以根据焊接过程而在不同时间发生，并且这可能影响焊接操作的节奏。在图17实施例中，使用短接检测阈值时间限值。如图所示，电流处于基值水平1721下，直到在点a处检测到短接事件为止，并且电流在对短接的检测/预测之后下降到更低水平1722。基值水平可以是在50安培至150安培的范围内。低电流水平1722可以是在0安培至50安培的范围内的任何位置，因为在一些实施例中，电流可以截断(0安培)或维持处于低水平下。在一些实施例中，低水平1722被维持持续在0.2ms至8ms的范围内的持续时间，并且在其他实施例中，低水平的持续时间被维持持续在0.4ms至1.6ms的持续时间。在低电流水平1722之后，电流增大到可以是在300安培至500安培的范围内的捏缩峰值电流水平1723，并且被维持持续一定持续时间，直到预测或检测到液滴分离为止。在分离时，电流水平快速下降到与基值电流1721的水平类似的水平1724。这个下降允许液滴在不具有飞溅或显著爆裂事件的情况下分离。电流然后增大到第二峰值水平或等离子体升压水平1725。在示例性实施例中，峰值水平1725的峰值电流水平可以是在300安培至500安培的范围内，并且可以是与捏缩峰值水平1723相同的峰值水平。在其他示例性实施例中，峰值水平1725可以高于水平1723，而在其他实施例中，峰值1725可以小于峰值水平1723。峰值电流1725被维持持续一定持续时间，并且然后斜降到基值水平1721，如图所示。此外，示例性实施例具有预先确定的短接检测持续时间t时段。这个持续时间在液滴—在1724处—分离之后、在点起电弧时起始。对电弧的检测可以利用任何已知的电弧检测电路进行。例如，可以检测电压或电压变化速率并使用所述电压或电压变化速率来确定已经造成电弧。由于这些电路是众所周知的，因此不在本文中对其进行详细描述。这个持续时间经由焊接系统的控制器内的定时电路、定时器等来监测。此类定时器或定时电路是众所周知的并且不需要在本文中进行详细描述。控制器寻找对短接的检测或预先确定的持续时间t的到期，无论哪一个首先发生。例如，如果耗材在持续时间t到期之前短接，那么短接清除功能就如本文所描述地发起。然而，如果在时间段t到期之前未检测到短接，那么电流在时段t到期(见点b)之后下降到低于基值水平1721的水平1722'。也就是说，如果在预先确定的时间量(时段t)内未发生短接，那么电流下降到低水平(或截断)以便确保或促进发生短接事件。在低电流1722'部分过程中，电流被维持处于低水平下，直到发生短接事件为止。这个低电流水平有助于防止电弧继续消耗所述耗材并且促进耗材与熔池之间的迅速接触。低电流水平1722'被维持直到检测到短接为止，并且然后可以如本文所描述地或经由其他已知方法发生短接清除。因此，本发明的实施例通过确保以所希望的间隔发生短接来确保出现相对一致的短接频率。在示例性实施例中，电流水平1722'(在时段t到期之后发起)可以与检测到短接之后的电流水平1722相同，并且在一些实施例中，可以是在0安培至50安培的范围内。在一些实施例中，所述电流可以是在0安培至30安培的范围内。可替代地，在其他实施例中，时段t到期之后的输出功率可以是在0瓦特至500瓦特的范围内。然而，在其他示例性实施例中，电流水平1722'可以高于或低于水平1722。在任一情况下，一旦检测到短接，就如本文所描述地将其清除，并且所述系统的控制器继续针对短接或时段t的到期(无论哪一个首先发生)监测焊接过程。应当注意，以上所描述的定时器或定时电路可以类似于已知定时电路来构造并操作，并且因此其结构和操作的详细讨论不需要在本文中进行描述。
在示例性实施例中，时段t基于用于焊接过程的焊接输入来预先确定。此类输入可以包括wfs、耗材直径、耗材类型、峰值电流、电压设置等。焊接电源供应器/系统的控制器可以利用查询表、状态表等使用这些输入来确定时段t的持续时间。在示例性实施例中，时段t可以是在8ms至30ms的范围内。在其他示例性实施例中，所述时段是在12ms至20ms的范围内。当然，其他可以用于实现所希望的性能。时段如以上所指示，这个类型的实施例可以允许耗材在高wfs进行的一致且具节奏性的沉积，并且允许大液滴的形成和有效过渡以便实现高过渡/沉积速率。
应当注意，从峰值1725到基值1721的尾拖部分可以根据特定焊接操作的需要和希望来成型。
图18描绘了与图17所示的那些类似的波形。由于电流波形的相似性，已经使用相似数字并且将不再重复细节。然而，在这个实施例中，示出了送丝速度波形1810，其中送丝速度和方向结合电流波形变化。也就是说，在示例性实施例中，推进丝/耗材，直到形成短路并得到电源供应器确认这样的时候为止。在示例性实施例中，这个确认可以通过检测输出信号的电流和/或电压来检测。在示例性实施例中，短接在捏缩脉冲电流达到其峰值的点(点a)处得到确认。在这个点之后，丝方向反转到收回速度b。在示例性实施例中，峰值收回速度小于推进速度。然而，在其他实施例中，峰值收回速度可以是相同的或更大的。在示例性实施例中，捏缩力(经由捏缩脉冲1723)被维持，直到耗材达到其峰值反转速度(点b)为止。在处于峰值反转速度下一定持续时间之后，电流减小(如参考至少图17所解释)到点1724。在大约电流减小到点1724的时候，丝被拉出熔池(点c)。在一些示例性实施例中，点1724处的电流小于50安培，并且在一些实施例中，可以是在0安培至50安培的范围内。由于丝在低电流水平下被拉出熔池，飞溅可以显著地减少。而且，在点c处，当电流开始再次增大以获得等离子体升压脉冲时，送丝速度减小以便再次开始丝的推进。在示例性实施例中，丝在大约等离子体升压脉冲1725达到其峰值电流水平的时候达到其峰值推进速度。如以上所描述的丝的这种恒定推进和收回导致焊接过程中的改进的焊接性能和减少的飞溅。在一些示例性实施例中，以上所描述的丝收回可以与参考图17描述的持续时间t一起使用，并且在其他实施例中，可以在不利用持续时间t时使用。
图19是本发明的又一示例性波形。已知在一些应用中，短接电弧焊接的范围受物理学限制。也就是说，当液滴大小达到约耗材的大小时，焊接过程内的其他力将短接电弧过渡过程改变成粗滴过渡过程，所述球形过渡过程可能倾向于具有更多飞溅并且并不以可预测的方式进行短接。此外，在一些应用中，已知短接电弧或stt焊接操作倾向于导致焊接操作的小于希望的焊透。因此，对于某些焊接应用，所希望的是使用达到所希望水平的焊透的stt或短接电弧类型的过渡方法。本发明的实施例可以通过以下方式在不折衷焊接质量的情况下实现这一点：利用高基值电流、持续预先确定的持续时间，并且然后将基值减小到低水平以便诱生短接。这在图19中示出。
图19描绘了示例性的电压波形1910和电流波形1920中的每一个。同样地，像本文所讨论的其他示例性实施例，这个实施例的观念类似于stt和短接电弧的观念，并且可以在能够产生stt或短接电弧类型的波形的已知电源供应器上实现。此外，示例性实施例可以对具有诸如在200ipm至400ipm的范围内的高送丝速度的焊接应用使用。另外地，对本文所讨论的波形的利用可以在具有100％co2保护气体的情况下进行，所述气体比用于其他短接电弧焊接应用的保护气体更便宜。在示例性实施例中，波形9120的平均电流是在200安培至300安培的范围内，并且平均电压是在25伏特至35伏特的范围内。此外，由于波形的结构(以下进行更多讨论)，示例性波形的短接频率可以是在15赫兹至60赫兹的范围内，并且在其他实施例中，是在20赫兹至30赫兹的范围内。另外地，使用本文所描述的示例性波形实现的液滴大小与球形过渡(使用短接事件来过渡)相似，但所具有的焊透高于由stt或传统短接电弧过渡所实现的焊透。
像本文所讨论的其他波形，在短接事件a之后，发起捏缩电流脉冲1921。捏缩脉冲1921用于帮助在液滴短接到熔池之后夹断液滴。捏缩脉冲1921可以具有在300安培至600安培的范围内的峰值电流。当液滴将要断裂时，电流减小到低水平1922(在0安培至75安培的范围内)以便避免液滴的爆裂分离。在液滴分离之后，电弧再起并且电流增大到脉冲峰值水平1923，所述脉冲峰值水平小于捏缩脉冲1921的峰值。在示例性实施例中，峰值水平1923是在250安培至300安培的范围内。在一些示例性实施例中，峰值水平1923是在捏缩脉冲1921的最高电流水平的60％至85％的范围内。在其他示例性实施例中，峰值电流水平1923是在捏缩脉冲的最高电流水平的65％至80％的范围内。这个峰值电流水平1923被维持持续预先确定的时间段t1，所述时间段可以是在3ms至10ms的范围内，并且在其他实施例中，可以是在4ms至8ms的范围内。峰值电流在时间段t1之后(在点b处)结束，并且然后相对缓慢地斜降(1924)、持续第二预先确定的时间段t2。时间段t2可以是在10ms至35ms的范围内，并且在一些示例性实施例中，时间段t2是在15ms至25ms的范围内。在时间段到期之后，电流处于水平c下，所述水平是在150安培至250安培的范围内，并且在另一个实施例中，是在175安培至225安培的范围内。在其他示例性实施例中，点c处的电流水平是在峰值电流水平1923的55％至75％的范围内。在其他示例性实施例中，c处的电流水平是在峰值1923处的水平的60％至70％的范围内。应当注意，在其他实施例中，控制器可以针对在1923处开始的到点c的持续时间使用预先确定的时间段，这样使得实质上是两个定时器在同时运转，其中一个用于到时间t1的第一时间段，并且另一个从点1923运转到点c。也就是说，在一些示例性实施例中，不需要在点b处开始新的时间段以从b计数到c。此类系统和计数器/定时器是已知的并且不需要在本文中进行描述。
在在时段t2结束时的点c之后，电流下降到低电流水平1925，或截止以便确保耗材的末端以相对一致的频率与熔池进行接触。例如，在示例性实施例中，电流水平下降成在0安培至50安培的范围内。在其他示例性实施例中，电流水平下降成在20安培至40安培的范围内。这个低电流水平促进耗材与熔池之间的接触以便造成短接。在以上电流波形的情况下，在高水平的热量下形成大液滴以便允许在高送丝速度焊接操作中获得改进的性能。而且，以上过程提供短路过渡类型的焊接操作中的改进的焊透。
在以上本发明的示例性实施例中，时间t1和t2中的每一个以及不同的所讨论的电流水平可以由电源供应器控制器基于用户输入信息来选择，所述于用户输入信息包括(但不限于)送丝速度、耗材大小、耗材类型、所希望的功率/能量输入以及其他可能因素。控制器可以基于用户输入数据使用状态表、查询表等来确定波形的参数中的每一个。此外，在一些实施例中，以上参考图18所讨论的丝反转可以利用图19所示的波形的实施例来实现。
应当注意，如本文所披露和讨论的焊接系统和电路可以实现本文所讨论的波形及其实施例中的任一个。
虽然已经参考某些实施例描述了本申请要求保护的主题，但是本领域技术人员将理解，在不脱离所要求保护的主题的范围的情况下，可以进行多种不同改变并且可以用等效物替换。另外，在不脱离所要求保护的主题的范围的情况下，可以进行许多修改来使特定情形或材料适合所要求保护主题的传授内容。因此，意图是所要求保护的主题并不旨在限于所披露的具体实施例，而是所要求保护的主题将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施例。