一种操作焊接电源的方法和焊接电源

摘要

一种在焊接过程期间操作焊接电源(20)的方法，其中在自耗电极(94)与工件(102)之间产生电弧(95)，同时进给所述自耗电极(94)并且相对于所述工件(102)沿着焊接轨迹(103)移动所述电弧(95)，其中在不中断所述焊接过程的情况下在所述焊接电源的DC功率输出与所述焊接电源的AC功率输出之间转变，或反之亦然。

说明书

技术领域

本发明涉及操作一种焊接电源的方法。特定而言，本发明涉及一 种操作可被设定来从相同输出端子产生焊接电源的DC功率输出以及 AC功率输出的焊接电源的方法。此外，本发明涉及一种焊接电源， 其被设计来从相同输出端子产生焊接电源的DC功率输出以及AC功 率输出。

发明背景

焊接技术中存在多样的焊接过程。这些过程例如包括钨极惰性气 体保护焊(TIG)、MIG/MAG和埋弧焊(SAW)。在TIG技术中， 在非自耗电极与工件之间产生电弧。如果期望，将金属填料进给到电 弧。TIG技术适合于焊接薄材料，尤其焊接薄铝工件。在MIG/MAG 和埋弧焊中，在自耗电极与工件之间产生电弧。MIG/MAG适合于焊 接所有种类的中等厚度的金属。在TIG和MIG/MAG焊接中，由电 弧产生的熔池由从配置在焊炬处的屏蔽罩供应的气体所保护。在埋弧 焊(SAW)中，在自耗电极与助焊剂的保护层下的工件之间产生电 弧，所述助焊剂保护层在电弧处覆盖工件。MIG/MAG适合于焊接需 要高沉积速率(如当焊接厚的材料时)的所有种类的金属。

在焊接领域中，可调整不同参数以实现期望的结果。这些参数包 括焊接电压、焊接电流、电极进给速度和焊接传送速度。

此外，可由从电源的输出将电极连接到负电位的直流电过程，从 电源的输出将电极连接到正电位的直流电过程或电极在负电极与正 电极之间切换的交流电过程执行焊接过程。一般而言，负电极提供低 穿透的宽焊珠，且正电极提供深穿透的窄焊珠。交流电过程可看作具 有负DC与正DC过程之间的属性的过程。一般而言，交流电具有大 约净频率的基频。视需要，频率可以更高，即200Hz至400Hz的范 围。高频率将在焊接电缆中产生损失，且因此不适合于许多应用。

先前已知可操作于DC模式或AC模式的焊接电源。一个实例在 提供单独的AC端子和DC端子的US4517439中公开。

虽然现有技术是丰富的，但是当涉及改进对焊接电源的控制以产 生具高品质的焊缝时，期望提供用于操作焊接电源的进一步改进的方 法。

因此本发明的目的是提供一种在焊接过程期间操作焊接电源的 改进方法。

发明概要

进一步改进焊接过程的目的通过根据权利要求1的在焊接过程 期间操作焊接电源的方法而实现。

根据本发明的方法，在自耗电极与工件之间产生电弧，同时进给 自耗电极并相对于工件沿着焊接轨迹移动电弧。焊接过程期间，在焊 接电源的DC功率输出与焊接电源的AC功率输出之间作出转变，或 反之亦然。因此根据本发明，在不中断焊接过程的情况下在DC功率 输出与AC功率输出之间转变，或反之亦然。

如由本发明的方法所提出，在焊接过程期间当进给自耗电极并相 对于工件沿着焊接轨迹移动电弧时通过允许AC输出与DC输出之间 的转变，可调适焊接过程以快速改变焊接条件，如根部焊道与紧接的 热焊道之间的转变。当执行根部焊道时，需要深穿透以在面对彼此的 两个相对端部分之间制造完全致密的接头，其中所述相对端部分之间 具有窄间隙。通过操作电源以提供正DC输出，深穿透被确定。当根 部焊道已完成时，通常期望通过提供热焊道，紧接着一种或多种填充 焊道而完成焊缝。在这种情况下，本发明提出在不中断焊接过程的情 况下执行从完成根部焊道的正DC电极过程转换到AC过程以提供一 种或多种填料焊道。这意味着自耗电极的进给以及电弧相对于工件的 运动将在转变时继续。通过避免中断过程，可确保熔池不会凝固或冷 却。因此，可避免在根部焊道的端部与填料串的起始处之间的转变位 置处的熔接缺陷。根据现有技术的方法，可能需要倒角加工以避免在 紧接着根部焊道之后开始AC过程的位置处的可能的熔接缺陷。通过 使用根据本发明的方法，避免了耗时的倒角加工过程。

本发明的过程的额外优点在于在具有复杂几何形状的焊接轨迹 处可执行有效的防止电弧偏吹，其中在焊接轨迹的某些段处电弧偏吹 以不可接受的级别发生，而在焊接轨迹的其它段电弧偏吹以较低级别 发生。在这种情况中，可依赖于所述位置处的特定电弧偏吹条件而作 出在焊接电源的DC功率输出与焊接电源的AC功率输出之间的转 变，或反之亦然。在电弧偏吹由于几何形状而较低的段中可使用DC 功率输出，且在引发较大电弧偏吹的几何形状的段处不发生中断的情 况下可作出到AC过程的转变。通过允许发生转变，在不中断焊接过 程的情况下，允许了可对于某些段使用DC过程，而对于其它段由于 使用AC过程而减少电弧偏吹的优点。

因此预期视需要在焊接位置处执行评估表示电弧偏吹的参数，并 依赖于评估的参数值而调整平衡。

在AC过程与DC过程之间转变时，可维持焊接速度和电极进给 速度。这意味着v_DC(t0)＝v_AC(t0)，其中v_DC(t0)是转变时间t0 时DC过程的焊接速度，且v_AC(t0)是转变时间时AC过程的焊接 速度。类似地，w_DC(t0)＝w_AC(t0)，其中v_DC(t0)是转变时间t0 时DC过程的电极进给速度，且v_AC(t0)是转变时间时AC过程的 电极进给速度。视需要，在稳定状态的电极进给速度和焊接速度可能 分别不同于转变时的电极进给速度，焊接速度。这意味着对于ts≠t0， v_DC(ts)≠v_DC(t0)，其中ts是过程以稳定状态运行的时间。此外， 对于ts≠t0，v_AC(ts)≠v_AC(t0)，w_DC(ts)≠w_DC(t0)且w_AC(ts) ≠w_AC(t0)。可通过允许在转变时使电极进给速度变速而平滑AC 过程与DC过程之间的转变。在过程应从AC改变为DC的间断的位 置在到达间断之前已知的情况中，可对于转变的两方分配变速。

为了产生适当的焊接，可设定AC平衡值以对于将要执行的焊接 过程提供适当的穿透值。AC平衡是正电极与负电极之比。AC平衡B 定义为焊接周期期间正电极的比例。100％正DC的平衡在焊接周期 内不具有负DC成分。0％正DC的平衡在焊接周期内不具有正DC成 分。因此在本发明的实施方案中，焊接周期期间正电极电位与负电极 电位之间的平衡可经由AC功率输出在负DC电极与正DC电极之间 持续调整。通过允许在AC过程中可持续调整0％与100％正DC电极 之间的平衡，电弧的特性可适当地适应焊接条件。

因此在本发明的一个实施方案中，建议评估焊接位置处的焊珠的 表面轮廓，并依赖于焊接位置处的表面轮廓而调整平衡。评估可基于 预定义映射，其包括作为焊接位置的函数的表面轮廓的信息。表面轮 廓是焊接位置处的焊接轨迹的几何形状。在评估中，在平衡可依赖于 位置处的期望的焊接穿透轮廓而设定之后，可检索对于焊接位置的期 望焊接穿透轮廓。

评估可包括确定当前焊接位置并检索表示当前焊接位置的期望 平衡的值。

视需要，可使用传感器来确定在焊接位置处的焊接轨迹的表面轮 廓，且可根据检测的表面轮廓设定平衡。

附图简述

本发明的实施方案将参考附图在下文中更详细描述，其中：

图1示出根据本发明的焊接配置的示意图，

图2示出管道焊接过程的示意图，

图3示出包括根部分的焊缝的示意图，所述根部位于从未完成的 根部焊道转变到完成的根部焊道的区域处，

图3a示出具有含楔形部分和根部分的表面轮廓的焊接轨迹的象 征图，

图4示出作为沿着焊接轨迹的位置的函数的焊接深度的图，

图5示出作为焊接位置的函数的期望平衡的图，

图6示出沿着轨迹的焊接过程的示意图，和

图7示出本发明的实施方案的示意流程图。

具体实施方式

图1示出适合使用于根据本发明的方法中的焊接配置10。焊接 配置包括能够操作于DC模式以及AC模式的焊接电源20。焊接电源 适当地为逆变器电源，其可以是如US5710696中呈现的设计。电源 包括连接到AC输入31和DC输出32的DC级30。DC级30包括变 压器级33，其产生到整流器级34的低电压高电流输出，所述整流器 级34可设计为二极管桥和电容器。从整流器级的输出被提供到开关 式调节器35，其包括从整流器电路的输出提供斩波DC输出信号的开 关。斩波频率一般大约为10kHz至25kHz。

来自开关式调节器35的输出被馈送到由逆变器电路41形成的 AC级40。逆变器电路41包括一组开关42，其使得能够以如 US5710696中公开的常规方式从DC输入转化为AC输出。当操作于 DC模式时，逆变器电路41被控制来提供不变极性的DC输出。这通 过不在开关42的状态之间切换而执行。当操作于DC模式时，可取 决于开关42的所选控制而提供负DC输出或正DC输出。

控制配置50被配置来控制焊接电源20的输出。控制配置包括数 字信号处理器51。数字信号处理器51用于通过控制开关式调节器35 的开关而控制电流脉冲的形状。出于这个目的，数字信号处理器51 可包括在位于一般控制器54中的波形成型器的控制下的脉冲宽度调 制器。可以如US5715150中公开的方法而执行开关的控制。

数字信号处理器51接收输入信号电流，且电压输出值由从逆变 器41或从开关式调节器35的输出处的传感器52、53所检测。此外， 一般控制器54确定焊接电压V、焊接电流I、电极进给速度w和焊 接速度v的期望值。这些值可取决于所选的焊接情况由操作者从操作 者界面55或从含有预设焊接参数的映射56而设定。

此外数字信号处理器51还负责控制从逆变器电路41(如果提供) 的AC输出的平衡。通过设定开关42的切换次数而执行这个控制。

视需要，控制器接收来自焊接轮廓传感器61的输入，所述传感 器61确定焊接位置处的表面轮廓。焊接轮廓传感器可确定期望的焊 接穿透，即焊接位置处的焊接深度。焊接深度可定义为焊接区域内的 最高点与最低点之间的距离，其中焊接区域对应于焊接位置处的熔 池。因为可随着工件以相对于垂直平面的任何期望角度倾斜而执行焊 接，所以在电弧与具有最深穿透的熔池点之间的方向上测量深度。在 垂直平面内执行焊接的情况中，深度将在垂直平面上测量。在根部焊 道中，深度将对应于根部厚度，而在填料焊道处，深度将取决于焊接 轮廓。

可提供焊接轮廓映射62来代替或补偿焊接轮廓传感器61。焊接 轮廓映射包括表示作为焊接位置的函数的期望焊接深度或期望平衡， 或其组合的数据。以焊接坐标s表达，其中s是沿着焊接轨迹的位置， 所述映射可表达为B(s)，其中B是在沿着焊接轨迹的位置s处提供期 望焊接穿透D的期望位置处的平衡。或者，所述映射可表达为D(s)， 其中D(s)是沿着焊接轨迹的位置s处的期望穿透。在这种情况中，应 提供在期望平衡与期望焊接穿透轮廓之间的映射。期望焊接穿透轮廓 D与期望平衡值之间的映射63可存储在一般控制器54可存取的存储 器区域64中。映射63从来自不同焊接情况的实验结果而创建。视需 要，将变速控制器65连接到一般控制器54。变速控制器控制在沿着 焊接轨迹检测到的间断处的过程参数，焊接电压V、焊接电流I、电 极进给速度w和焊接速度v。

焊接配置还包括焊接机器人70，其包括至少一个焊接头71，自 耗电极72通过所述焊接头71而进给。焊接机器人71还包括电极进 给器73，其被配置来以期望的电极进给速度w进给焊接自耗电极72。 焊接配置包括推进单元，其被配置来在工件与焊接头之间产生相对运 动。推进单元可由可移动的焊接机器人所提供，所述焊接机器人可相 对于工件传送或通过配置工件而可移动。在图1中，焊接机器人70 是可移动的，而在图2中，其示出用于管道焊接的配置，包括管道支 撑件81，管道82位于其上。固定焊接头83被配置来在特定位置提 供电弧。管道支撑件81包括旋转所述管道的一个或多个驱动辊。

图3示出焊缝90的示意图，其包括工件102的根部分91和楔形 部分92。根部分应在提供完整的根部焊接的根部焊道中焊接。焊接 沿着焊接轨迹103执行。焊接头93引导自耗电极94，在所述自耗电 极94处形成电弧95。示意图示出从未完成的根部焊道99到完成的 根部焊道98的转变97所在的区域96。在由箭头100指示的方向上 执行焊接。在当前焊接位置S(t)，在敞开的根部执行焊接。在位置S(t₀)， 对存在完成的根部焊道的位置作出转变。在此焊接应在楔形部分中通 过供应填料串而继续。

在图3a中，示出具有楔形部分92和根部分的表面轮廓301的象 征图。表面轮廓可含有关于楔形部分(其将在一个随后的后续焊道或 多个后续焊道中焊接)和根部分(其将在初始焊道中焊接)两者的信 息。即表面轮廓31可含有涉及正在执行和即将执行的焊道的信息。 或者，表面轮廓仅含有涉及即将执行的焊道的信息。表面轮廓可含有 涉及将要接合的间隙的深度和宽度的信息。如图3a中示例的完整的 表面轮廓可含有涉及根部深度d_r、根部宽度w_r、楔形部分d_w、和楔 形部分宽度w_w的信息。在图3a中，示出在根部焊道期间形成根部串 303，且在后续焊道期间形成填料串305、307、309。

当执行根部焊道时，需要深穿透以在面对彼此的两个相对端部分 之间制造完全致密的接头，其中所述相对端之间具有窄间隙。通过操 作电源以提供正DC输出，深穿透被确定。当根部焊道已完成时，通 常期望通过在根部焊道顶上提供一种或多种填料串而完成焊缝。在这 种情况中，本发明提出在不中断焊接过程的情况下执行从完成根部焊 道的正DC电极过程转换到AC过程以提供一种或多种填料焊道。这 意味着自耗电极的进给以及电弧相对于工件的运动将在转变时继续。 通过避免中断过程，可确保熔池101不会凝固或冷却。因此，可在根 部焊道的端部与填料串的开始处之间的转变位置避免熔接缺陷。根据 现有技术的方法，可能需要倒角加工以避免在紧接着根部焊道之后开 始AC过程的位置处的可能的熔接缺陷。通过使用根据本发明的方法， 可避免耗时的倒角加工过程。

在DC过程与AC过程之间的转变时，维持焊接速度和电极进给 速度。转变发生在从根部焊道到填料焊道的间断所在的位置。这意味 着v_DC(t0)＝v_AC(t0)，其中v_DC(t0)是转变时间t0时DC过程的 焊接速度，且v_AC(t0)是转变时间时AC过程的焊接速度。类似地， w_DC(t0)＝w_AC(t0)，其中v_DC(t0)是转变时间t0时DC过程的电 极进给速度，且v_AC(t0)是转变时间时AC过程的电极进给速度。 视需要，在稳定状态的电极进给速度和焊接速度可能分别不同于转变 时的电极进给速度，焊接速度。这意味着对于ts≠t0，v_DC(ts)≠v_DC(t0)，其中ts是过程以稳定状态运行的时间。此外，对于ts≠t0， v_AC(ts)≠v_AC(t0)，w_DC(ts)≠w_DC(t0)且w_AC(ts)≠w_AC(t0)。 可通过允许在转变时使电极进给速度变速而平滑AC过程与DC过程 之间的转变。在过程应从AC改变为DC的间断的位置在到达间断之 前已知的情况中，可对于转变的两方分配变速。

图4中公开了作为沿着焊接轨迹的位置的函数的期望焊接穿透 轮廓。在位置t₀处存在根部焊道与填料焊道之间的间断。期望的焊接 穿透轮廓D在这个位置从对应于正DC输出功率模式的较高值下降到 对应于具有某一平衡B的AC输出的较低值。

图5中公开了作为焊接位置的函数的期望平衡B的对应图。从 正DC输出功率模式501到AC输出功率模式502的转变503可含有 持续若干个AC脉冲或以单个脉冲执行的变速，其中过程经由具有跨 越若干个脉冲的平衡值变化的转变阶段而从稳定状态的正DC过程改 变为具有某一平衡值的稳定状态的AC过程。这由正DC过程与t₀+ Δ之后出现的稳定状态的AC过程之间的平滑部分指示。

可在具有复杂几何形状的焊接轨迹处执行有效的防止电弧偏吹， 其中在焊接轨迹的某些段处电弧偏吹以不可接受的级别发生，而在焊 接轨迹的其它段电弧偏吹可接受。在此，焊接电源的DC功率输出与 焊接电源的AC功率输出之间的转变(或反之亦然)依赖于所述位置 处的特定电弧偏吹条件。DC功率输出可使用于电弧偏吹由于几何形 状而较低的段中，且可在不中断的情况下在引发较大电弧偏吹的几何 形状的段处作出到AC过程的转变。通过允许发生转变，在不中断焊 接过程的情况下允许对于某些段可使用DC过程而对于其它段由于使 用AC过程而减少电弧偏吹的优点。

因此预期视需要在焊接位置处执行评估表示电弧偏吹的参数，并 依赖于评估的参数值而调整平衡。这可通过检测电弧偏吹条件并在检 测到电弧偏吹处将输出功率从DC改变为AC，或通过提供关于作为 沿着焊接轨迹的位置的函数的期望焊接条件的映射而成为可能，其中 在对于电弧偏吹较敏感的位置处，在不中断焊接过程的情况下作出从 DC输出到AC输出的转变。

图6中指示沿着轨迹的焊接过程的示意图，所述轨迹沿着坐标S 而定义。所述图包括运行正DC过程的两个区域A1和A2，和执行具 有不同平衡值的三个区域A3、A4、A5。

图7中示出本发明的实施方案的示意流程图。在第一过程的步骤 S10中，以电极进给速度w和焊接速度v运行AC或DC输出功率过 程。在步骤S20，确定是否存在间断，如发生从根部焊道到填料焊道 或从可接受的电弧偏吹条件到不可接受的电弧偏吹条件的转变。可由 传感器或指示间断的映射检测间断。如果存在间断，那么过程将在步 骤30中取决于间断的特性而从DC改变到AC或反之亦然。如果不 存在间断，那么如果当前过程是DC过程则过程将返回步骤10。如果 当前过程是AC过程，那么可在过程步骤S50中确定平衡值。可从映 射62获得期望的平衡值。

焊接过程可包括根部焊道和一种或多种填充焊道，其中所述根部 焊道用正DC电极制成。填充焊道用AC功率输出制成，且在不中断 焊接过程的情况下作出正DC电极与AC功率输出之间的转变。

焊接过程可因此包括步骤：用正DC电极执行根部焊道，确定根 部焊道已完成，和当所述根部焊道已完成时在不中断焊接过程的情况 下切换到AC功率输出。

过程允许在焊接周期期间在负电极电位与正电极电位之间的可 调整的平衡，所述平衡可经由AC功率输出在负DC电极与正DC电 极之间持续调整。

在步骤S60，评估焊接位置处的焊接轨迹的表面轮廓，且依赖于 所述焊接位置处的表面轮廓而调整平衡。在一个实施方案中，评估基 于检索焊接位置处期望的焊接穿透轮廓和依赖于所述位置处的期望 的焊接穿透轮廓而设定平衡。视需要，评估基于预定义映射，其包括 作为焊接位置的函数的表面轮廓的信息。

视需要，评估包括确定当前焊接位置和检索表示当前焊接位置处 的期望平衡的值。视需要，传感器确定焊接位置处的焊接轨迹的表面 轮廓。