具有提供用于控制AC弧焊工艺的高/低阻抗的桥接电路的焊接电源

摘要

用于提供受控的AC弧焊工艺的系统和方法。在弧焊电源(100)的实施方案中，主桥接电路和辅助桥接电路(160,170)的配置允许通过焊接输出电路路径的输出焊接电流的方向切换，并且选择性地提供一个或更多个高阻抗路径来迅速地衰减电弧电流。高阻抗路径有助于熔融金属球从可消耗电极(E)到工件(W)的低飞溅转移，并且进一步有助于在熔融金属球被转移时可消耗电极(E)和工件(W)之间的电弧的保持或重建。

说明书

技术领域

本发明涉及焊接电源和方法。本发明的某些实施方案涉及弧焊。更特别地，本发明的 某些实施方案涉及用于提供受控的AC弧焊工艺的系统和方法。

技术背景

某些现有技术的焊接系统在焊接电源中使用桥接拓扑结构来提供AC焊接能力。半桥 拓扑结构可以被用在具有双输出电流路径的焊接电源中，所述双输出电流路径被配置来共 享一共同路径，以使在共享路径中每路输出可以产生(induce)相反极性的流。在实践中， 许多焊接电源被这样配置并且可以只需要添加第二套整流器件来实现第二路径。开关可以 被置于每个电源支路(leg)的非共享路径中，并且通过连接的焊接输出电路路径的电流方 向由有源支路确定。全桥拓扑结构可以与几乎任何电源拓扑结构一起使用，提供灵活性以 及被添加到现有设计的电源的潜在性。全桥拓扑结构允许过零辅助电路的容易实现。阻塞 二极管(blocking diode)可以被用来保护电源中的器件免受过零期间发生的高压瞬变的影 响。

对于某些短路过渡焊接工艺(如，举例来说，表面张力过渡工艺)而言，输出电流在 工艺中的某些点处必须迅速地衰减到特定的值。在现有技术中，多种技术已经被用来在 DC正应用和DC负应用中获得输出电流中的这样的迅速的降低。然而，在AC弧焊工艺 中迅速地降低正和负两个方向上的输出电流，同时保持泄漏电流和飞溅为最小的程度并且 同时在熔融金属球从电极转移到工件之后允许电弧容易地在可消耗的电极和工件之间重 建，这样的能力是一个具有挑战性的问题。

通过将常规的、传统的以及已提出的手段与如在本申请的其余部分中参照附图所阐述 的本发明的实施方案相比，对本领域技术人员来说这样的系统和方法的进一步的局限性和 缺点将会变得明显。

发明内容

本发明的实施方案包括用于提供受控的AC弧焊工艺的系统和方法。出于迅速地衰减 电弧电流而不让电流趋于零(这会使得难以保持电弧)的目的，用来在AC输出焊接机器 的焊接电路中引入高阻抗路径的装置被提供。AC焊接、可变极性焊接(例如，以任一极 性的DC焊接)以及其他混合焊接工艺被支持。主桥接电路和辅助桥接电路的配置允许通 过焊接输出电路路径的输出焊接电流的方向切换，并且选择性地提供一个或更多个高阻抗 路径来迅速地衰减电弧电流。高阻抗路径有助于熔融金属球(熔滴)从可消耗电极到工件 的低飞溅转移，并且进一步有助于在熔融金属球被转移时可消耗电极和工件之间的电弧的 重建或保持。一般而言，当在焊接工艺期间熔滴将要从可消耗的焊丝电极的端部转移到工 件时(例如，表面张力可以被用来以低飞溅的方式将熔滴移过去)，高阻抗路径阻断 (quench)电流。

本发明的一个实施方案是一种焊接电源。所述焊接电源包括功率转换电路，所述功率 转换电路被配置来将输入电流转换为输出电流。所述功率转换电路可以是以半桥输出拓扑 结构为基础的变压器。所述功率转换电路可以包括DC输出拓扑结构。所述功率转换电路 可以是例如基于逆变器的电路或基于斩波器的电路。所述焊接电源还包括主桥接电路，所 述主桥接电路被可操作地连接到所述功率转换电路并且被配置来在所述焊接电源的控制 器的命令下切换通过焊接输出电路路径的所述输出电流的方向，所述焊接输出电路路径被 可操作地连接到所述焊接电源的焊接输出。所述主桥接电路可以被配置为例如半桥电路或 全桥电路。所述主桥接电路可以包括例如至少两个开关晶体管。所述焊接电源进一步包括 辅助桥接电路，所述辅助桥接电路被可操作地连接到所述主桥接电路并且被配置来在所述 焊接电源的所述控制器的命令下在所述功率转换电路和所述焊接输出电路路径之间引入 高阻抗路径。所述辅助桥接电路可以包括例如至少两个开关晶体管和至少一个电阻器。根 据各种实施方案，所述至少一个电阻器的电阻值可以小于两欧姆或者小于一欧姆。所述功 率转换电路、所述主桥接电路和所述辅助桥接电路可以被配置来在所述焊接电源的所述控 制器的命令下提供DC正焊接操作、DC负焊接操作和AC焊接操作中的任一个。根据可 替换的实施方案，所述主桥接电路和所述辅助桥接电路可以处于所述焊接电源的外部，例 如具有可操作地连接到所述焊接电源的模块的形式。

本发明的一个实施方案是一种焊接电源。所述焊接电源包括用于将输入电流转换为输 出电流的装置以及用于切换通过焊接输出电路路径的所述输出电流的方向的装置，以提供 至少AC焊接操作，所述焊接输出电路路径被可操作地连接到所述焊接电源的焊接输出。 所述焊接电源还包括用于将所述输出电流的水平迅速地降低到经调节的非零水平的装置， 以提供可消耗的焊接电极的端部处的熔融金属球到工件上的焊缝熔池中的低飞溅润入 (wet-in)，并且在所述熔融金属球已经转移(transfer)到所述工件之后立即提供所述可 消耗的焊接电极的所述端部和所述工件之间的电弧的自动重建。

本发明的一个实施方案是一种方法。所述方法包括在焊接电源中将输入电流转换为输 出电流。所述方法还包括在所述焊接电源的控制器的命令下，从第一方向到第二方向切换 通过焊接输出电路路径的所述输出电流的方向，所述焊接输出电路路径被可操作地连接到 所述焊接电源的焊接输出。所述方法进一步包括在所述焊接电源的所述控制器的命令下， 选择性地切换通过所述焊接电源内的高阻抗路径的所述输出电流，以在保持通过所述焊接 输出电路路径的所述输出电流的所述第二方向的同时将所述输出电流的水平降低到经调 节的非零水平。所述方法还可以包括在所述焊接电源的所述控制器的命令下，从所述第二 方向到所述第一方向切换通过所述焊接输出电路路径的所述输出电流的方向；并且进一 步，在所述焊接电源的所述控制器的命令下，选择性地切换通过所述焊接电源内的高阻抗 路径的所述输出电流，以在保持通过所述焊接输出电路路径的所述输出电流的所述第一方 向的同时将所述输出电流的水平降低到经调节的非零水平。所述高阻抗路径可以包括至少 一个开关晶体管和至少一个电阻器。

本发明的一个实施方案是一种在焊接电源内生成焊接输出电流波形的方法。所述方法 包括生成所述焊接输出电流波形的正电流部分，跟在所述焊接输出电流波形的所述正电流 部分后面的是所述焊接输出电流波形的负电流部分。所述正电流部分和所述负电流部分中 的每个包括本底电流段，跟在所述本底电流段后面的是第一低电流转变段，跟在所述第一 低电流转变段后面的是箍缩电流段，跟在所述箍缩电流段后面的是第二低电流转变段，跟 在所述第二低电流转变段后面的是峰值电流段，跟在所述峰值电流段后面的是尾拖 (tail-out)电流段。通过在所述第一低电流转变段的时间期间以及在所述第二低电流转变 段的时间期间分别切换通过所述焊接电源内的高阻抗路径的所述焊接输出电流波形，所述 第一低电流转变段和所述第二低电流转变段每个被调节到非零水平，所述非零水平比所述 本底电流段的水平更靠近零电流水平。所述高阻抗路径可以包括至少一个开关晶体管和至 少一个电阻器。当所述焊接输出电流波形被施加到具有可消耗的焊接电极和工件的焊接输 出电路路径时，所述第一低电流转变段的所述经调节的非零水平可以提供所述可消耗的焊 接电极的端部处的熔融金属球到所述工件上的焊缝熔池中的低飞溅润入。另外，当所述焊 接输出电流波形被施加到具有可消耗的焊接电极和工件的焊接输出电路路径时，所述第二 低电流转变段的所述经调节的非零水平可以在熔融金属球从所述可消耗的焊接电极的端 部转移到所述工件之后立即提供所述可消耗的焊接电极的端部和所述工件之间的电弧的 自动重建。

本发明的一个实施方案是一种焊接电源。所述焊接电源包括混合桥接电路，所述混合 桥接电路被配置来提供AC焊接输出电流并且进一步被配置来为所述AC焊接输出电流选 择性地提供高阻抗路径。所述高阻抗路径包括至少一个晶体管开关和至少一个电阻器。

本发明的一个实施方案是一种焊接电源。所述焊接电源包括混合桥接电路，所述混合 桥接电路被配置来提供AC焊接输出电流并且进一步被配置来为所述AC焊接输出电流选 择性地提供低阻抗路径和高阻抗路径，其中所述高阻抗路径模仿(mimic)所述低阻抗路 径的极性。

本发明的一个实施方案是一种焊接电源。所述焊接电源包括具有低阻抗路径和高阻抗 路径的混合桥接电路，其中所述混合桥接电路被配置用于选择性地中断所述低阻抗路径， 以迫使输出电流通过所述高阻抗路径来增加跨负载的电压，所述负载被连接到所述焊接电 源的焊接输出。

从下面的说明书、权利要求书和附图，将更完整地理解本发明的被图示说明的实施方 案的详细内容。

附图说明

图1图示说明焊接电源的示例性实施方案的示意方框图，所述焊接电源被可操作地连 接到可消耗的焊接电极和工件；

图2图示说明焊接输出电流波形的示例性实施方案；

图3图示说明图1的焊接电源的一部分的第一示例性实施方案的示意图，所述焊接电 源具有主桥接电路和辅助桥接电路；

图4A-4B图示说明图3中的焊接电源部分在实现图2的AC形式的焊接输出电流波形 时的操作；

图5图示说明图1的焊接电源的一部分的第二示例性实施方案的示意图，所述焊接电 源具有主桥接电路和辅助桥接电路；

图6A-6B图示说明图5中的焊接电源部分在实现图2的AC形式的焊接输出电流波形 时的操作；

图7图示说明图1的焊接电源的一部分的第三示例性实施方案的示意图，所述焊接电 源具有主桥接电路和辅助桥接电路；

图8A-8B图示说明图7中的焊接电源部分在实现图2的AC形式的焊接输出电流波形 时的操作；

图9图示说明图1的焊接电源的一部分的第四示例性实施方案的示意图，所述焊接电 源具有主桥接电路和辅助桥接电路；以及

图10A-10B图示说明图9中的焊接电源部分在实现图2的AC形式的焊接输出电流波 形时的操作。

具体实施方式

下面为可以在本公开中使用的示例性术语的定义。所有术语的单复数形式都落入各自 的含义中：

如本文中使用的“软件”或“计算机程序”包括(但不限于)一个或更多个计算机可 读和/或可执行指令，这些指令致使计算机或其他电子装置以所需方式执行功能、动作和/ 或行为。这些指令可以实现为各种形式，如，包括得自动态链接库的单独应用程序或代码 的子程序、算法、模块或程序。软件还可以实现为各种形式，如，独立程序、函数调用、 小服务程序(servlet)、小应用程序(applet)、应用程序、储存在存储器、操作系统的一 部分中的指令或其他类型的可执行指令。本领域的普通技术人员将会理解，软件的形式取 决于(例如)对所需应用的要求、对软件的运行环境的要求和/或设计者/编程者的需要等。

如本文中使用的“计算机”或“处理元件”或“计算机设备”包括(但不限于)任何 可以储存、取回(retrieve)和处理数据的经编程或可编程电子装置。“非瞬时计算机可读 介质”包括(但不限于)CD-ROM、可移除的闪存卡、硬盘驱动器、磁带以及软盘。

如本文中使用的“焊接工具”指的是(但不限于)焊枪、焊炬或者出于将由焊接电源 提供的电力施加到可消耗的焊丝的目的而接受可消耗的焊丝的任何焊接装置。

如本文中使用的“焊接输出电路路径”指的是这样的电气路径，所述电气路径从焊接 电源的焊接输出的第一侧、通过第一焊接线缆(或焊接线缆的第一侧)、到焊接电极、到 工件(通过焊接电极和工件之间的短路或电弧)、通过第二焊接线缆(或焊接线缆的第二 侧)并且回到焊接电源的焊接输出的第二侧。

如本文中使用的“焊接线缆”指的是这样的电气线缆，所述电气线缆可以被连接在焊 接电源和焊接电极以及工件(例如通过焊丝送进器)之间，以提供电功率来在焊接电极和 工件之间创建电弧。

如本文中使用的“焊接输出”可以指的是电气输出电路或焊接电源的输出端口或端子， 或者指的是由电气输出电路或焊接电源的输出端口提供的电功率、电压或电流。

如本文中使用的“计算机存储器”指的是被配置来储存可以由计算机或处理部件取回 的数字数据或信息的储存装置。

如本文中使用的“控制器”指的是逻辑电路和/或处理部件以及涉及控制焊接电源的 相关联的软件或程序。

术语“信号”、“数据”和“信息”可以在本文被可互换地使用并且可以为数字或模 拟的形式。

术语“AC焊接”在本文被一般地使用并且可以指的是实际的AC焊接、正负双极性 的DC焊接、可变极性焊接以及其他混合焊接工艺。

图1图示说明焊接电源100的示例性实施方案的示意方框图，其中所述焊接电源100 被可操作地连接到可消耗的焊接电极E和工件W。焊接电源100包括功率转换电路110， 所述功率转换电路110提供焊接电极E和工件W之间的焊接输出功率。功率转换电路110 可以是基于半桥输出拓扑结构的变压器。例如，功率转换电路110可以是逆变器类型，所 述逆变器类型包括焊接变压器的(例如，如由主侧和次侧所分别描述的)输入功率侧和输 出功率侧。其他类型的功率转换电路也是可能的，如，举例来说，具有DC输出拓扑结构 的斩波器类型。焊丝送进器5朝向工件W送进可消耗的焊丝焊接电极E。焊丝送进器5、 可消耗的焊接电极(焊条)E以及工件W不是焊接电源100的一部分而是可以经由焊接 输出线缆可操作地连接到焊接电源100。

焊接电源100进一步包括波形发生器120和控制器130。波形发生器120在控制器130 的命令下生成焊接波形。由波形发生器120生成的波形调制功率转换电路110的输出，以 在电极E和工件W之间产生焊接输出电流。

焊接电源100可以进一步包括电压反馈电路140和电流反馈电路150，以监测电极E 和工件W之间的焊接输出电压和电流并且将所监测的电压和电流提供回控制器130。反馈 电压和电流可以被控制器130用来作出关于更改由波形发生器120生成的焊接波形的决定 和/或作出例如影响焊接电源100的安全操作的其他决定。

焊接电源100还包括具有主桥接电路160和辅助桥接电路170的混合桥接电路180。 主桥接电路160被可操作地连接到功率转换电路110并且被配置来通过低阻抗焊接输出电 路路径(包括电极E和工件W)切换输出电流的方向，所述低阻抗焊接输出电路路径在 控制器130的命令下被可操作地连接到焊接电源100的焊接输出。辅助桥接电路被可操作 地连接到主桥接电路并且被配置来在控制器130的命令下在功率转换电路110和焊接输出 电路路径之间引入高阻抗路径。根据一个实施方案，在通过焊接输出电路路径的输出电流 的所规定的方向(极性)这个意义上来说，高阻抗路径模仿低阻抗路径。这样的混合桥接 电路的详细实施例和操作稍后在本文中被详细描述。

图2图示说明焊接输出电流波形200的示例性实施方案。波形200被设计用于被称为 表面张力过渡(STT)工艺的短路过渡焊接工艺。波形200包括本底电流段210、箍缩电 流段220、峰值电流段230以及尾拖电流段240。在本底电流段210和箍缩电流段220之 间的是第一低电流转变段215。再有，在箍缩电流段220和峰值电流段230之间的是第二 低电流转变段225。

在使用波形200的焊接操作期间，在如图2所图示说明的时间A期间(即，在本底电 流段210期间)，熔融金属球250在可消耗的焊接电极260的端部产生。在如图2所图示 说明的时间B期间(即，在第一低电流转变段215期间)，熔融金属球260与工件270 短路并且电流被降低，允许熔融金属球250润湿到工件270上的熔池中。在如图2所图示 说明的时间C期间(即，在箍缩电流段220期间)，斜坡箍缩电流被施加到短路处以帮助 熔融金属球250从电极260的端部箍缩到工件270上的熔池中。在如图2所图示说明的时 间D期间(即，在第二低电流转变段225期间)，电流被降低，在熔融金属球250已经从 电极260箍断而清除短路之后，允许焊接电弧280容易地在电极260和工件270之间重建。 在如图2所图示说明的时间E期间(即，在峰值电流段230期间)，峰值电流被施加来设 定合适的重建电弧的电弧长度并且开始从电极的端部熔化新的熔融金属球。在尾拖电流段 240期间，所产生的热量通过控制电流从峰值电流水平转变到本底电流水平的速率来控制。 波形在焊接工艺期间重复以形成焊缝。

作为实施例，100安培的本底电流保持电极和工件之间的电弧并且有助于基底金属受 热。在电极最初与工件上的焊池短路之后，电流被迅速地降低以确保稳定短路(solid short)。 箍缩电流随后被施加来将熔融金属向下挤到焊池中，同时监测来自电信号的液桥(liquid  bridge)的颈缩。当液桥将要断开时，电源通过将电流降低到大约50安培来起作用。紧随 电弧重建之后，峰值电流被施加以产生等离子体的力，向下推动焊池来防止意外短路并且 加热熔池和焊接接头。指数形的尾拖段被调整来调节总热输入，并且本底电流段用作精密 热控制。

根据本发明的实施方案，通过切换通过焊接电源100内的高阻抗路径的焊接输出电流 波形200，第一低电流转变段215和第二低电流转变段225的电流被迅速地降低并且被调 节到非零水平，所述非零水平比本底电流段210的水平更靠近零电流水平。通过迅速地降 低电流并且调节到低的非零水平，飞溅被降低，熔融金属球的低飞溅转移被便利，并且电 弧280容易以可靠的方式在电极260和工件270之间重建。如本文下面所详细描述的，本 发明的实施方案提供混合桥接电路，所述混合桥接电路在控制器130的控制下以适当的时 间在高阻抗路径中切换，同时提供AC焊接操作。本文所描述的方法的某些方面还可以被 用于非短路焊接工艺，其中熔融金属球在接触工件之前脱离电极并且跨电弧转移而电弧不 熄灭。在这样的非短路焊接工艺中，混合桥接电路的高阻抗路径可以被用来便利熔融金属 球跨电弧的低飞溅转移，同时保持电弧。

图3图示说明图1的焊接电源100的一部分的第一示例性实施方案的示意图，所述焊 接电源100具有包括主桥接电路160和辅助桥接电路170的混合桥接电路180。同样在图 3中图示说明的是功率转换电路110的一部分310，其中功率转换电路110是中心抽头或 半桥拓扑结构(例如，基于逆变器的电路)。图3的混合桥接电路180具有半桥拓扑结构 的形式，其中功率转换电路110提供被配置来共享共同路径的双输出电流路径，以使每个 输出路径可以在共享的路径中产生相反极性的流。主桥接电路160包括开关晶体管311和 312。辅助桥接电路170包括开关晶体管313和314和电阻器315。根据实施方案，开关 晶体管是绝缘栅双极晶体管(IGBTs)。有源缓冲电路181被用来限制跨桥接电路180的 电压(例如，大致在300V和600V之间)以导致通过输出电路路径的输出电流迅速下降。 如本文结合图2以及图4A至图4B所描述的，图3的混合桥接电路180提供AC焊接操 作并且提供高阻抗路径，以将焊接输出电流调节到低的水平来进行飞溅控制并且在焊接工 艺期间以特定时间间隔重建电极E和工件W之间的焊接电弧。焊接输出端子191和192 被示出并且表征焊接电源的焊接输出，电极E和工件W可以通过焊接线缆路径被连接到 焊接电源的焊接输出。

图4A-4B图示说明图3中的焊接电源部分在实现图2的AC形式的焊接输出电流波形 200时的操作。图4A图示说明图3的电路在焊接输出电流波形200的正部分期间的操作。 在本底电流段210、箍缩电流段220、峰值电流段230以及尾拖电流段240的时间期间(在 图4A的顶部中通过波形的加粗部分示出)，主桥接电路160的开关晶体管311导通(ON) 而主桥接电路160的开关晶体管312断开(OFF)。结果，如由图4A的顶部中的实箭头 所指示的，焊接输出电流流过低阻抗路径。

在电流衰减以及低电流转变段215和225的时间期间(在图4A的底部中通过波形的 加粗部分示出)，只有辅助桥接电路170的开关晶体管313导通。结果，如由图4A的底 部中的实箭头所指示的，焊接输出电流流过由开关晶体管313和电阻器315所提供的高阻 抗路径，提供电极E和工件W之间的高电位降，因而允许焊接输出电流迅速地衰减并且 被调节到一确定的低的水平。这创建了电极E和工件W之间的高电位情况，根据已知的 等式V＝L(di/dt)，其中V是电压，L是电感，di是电流的变化并且dt是时间的变化，因而 迫使焊接输出电流迅速地衰减。

根据本发明的实施方案，电阻器315的值小于两欧姆(例如，一欧姆)。根据另一个 实施方案，电阻器315的值小于一欧姆(例如，0.5欧姆)。再次，利用混合桥接电路180 的焊接输出电流的这种迅速衰减和调节提供低飞溅条件以及电极E和工件W之间的电弧 的可靠重建。图4A-4B示出的负载表征电极E和工件W之间的电弧以及将电极E和工件 W连接到焊接电源的焊接线缆路径(即，焊接输出电路路径)的电阻和电感。然而，电极 E、工件W和焊接线缆路径不是焊接电源的一部分。将辅助桥接电路170提供到主桥接电 路160允许对通过负载的焊接输出电流的中断进行更好的控制。

类似地，图4B图示说明图3的电路在焊接电流波形的负部分期间的操作。在本底电 流段210、箍缩电流段220、峰值电流段230以及尾拖电流段240的时间期间(在图4B的 顶部中通过波形的加粗部分示出)，主桥接电路160的开关晶体管312导通而主桥接电路 160的开关晶体管311断开。结果，焊接输出电流如由图4B的顶部中的实箭头所指示的 流动。在电流衰减以及低电流转变段215和225的时间期间(在图4B的底部中通过波形 的加粗部分示出)，只有辅助桥接电路170的开关晶体管314导通。结果，如由图4B的 底部中的实箭头所指示的，焊接输出电流流过由开关晶体管314和电阻器315所提供的高 阻抗路径，提供电极E和工件W之间的高电位降，因而允许焊接输出电流迅速地衰减并 且被调节到一确定的低的水平。再次，焊接输出电流的这种迅速衰减和调节提供低飞溅条 件以及电极E和工件W之间的电弧的可靠重建。根据本发明的实施方案，开关晶体管受 控制器130控制(导通或断开)。

根据某些实施方案，在通过混合桥接电路的电流的所规定的方向(极性)这个意义上 来说，高阻抗路径模仿低阻抗路径。就是说，辅助桥接遵循主桥接的极性，并且在某些时 间，主桥接被中断来引入由辅助桥接所提供的高阻抗路径。这样的模仿可以通过以相同的 方式同时切换主桥接电路和辅助桥接电路的相应的晶体管来实现。另外，这样的模仿可以 缓和到高阻抗路径的转变和/或提供更有效的定时和切换。然而，其他实施方案可以解除 (unlink)辅助桥接电路到主桥接电路的极性遵循性质。

一般而言，在熔融金属球250的转移期间，主桥接电路160开路，使得辅助桥接电路 170提供高阻抗路径而不中断电流流动。没有辅助桥接电路170，主桥接电路160将不得 不被完全中断，以致只有衰减路径将通过有源缓冲器181，使得焊接输出电流降到零。在 没有辅助桥接电路170的情况下，这样的操作不会提供所期望的可靠、受控的低飞溅条件 以及电弧重建。

图5图示说明图1的焊接电源100的一部分的第二示例性实施方案的示意图，所述焊 接电源100具有包括主桥接电路160和辅助桥接电路170的混合桥接电路180。同样在图 5中图示说明的是功率转换电路110的一部分510，其中功率转换电路110提供DC+和DC- 输出(例如，基于斩波器的电路)。图5的混合桥接电路180具有全桥拓扑结构的形式， 所述全桥拓扑结构可以与几乎任何电源拓扑结构一起使用，提供灵活性以及添加到现有设 计的电源的潜在性。主桥接电路160包括开关晶体管511、512、513和514。辅助桥接电 路170包括开关晶体管515、516、517和518以及电阻器519和520。根据实施方案，开 关晶体管是绝缘栅双极晶体管(IGBTs)。有源缓冲电路181被用来限制跨桥接电路180 的电压。如本文结合图2以及图6A至图6B所描述的，图5的混合桥接电路180提供AC 焊接操作并且提供高阻抗路径，以将焊接输出电流调节到低的水平来进行飞溅控制并且在 焊接工艺期间以特定时间间隔重建电极E和工件W之间的焊接电弧。焊接输出端子191 和192被示出并且表征焊接电源的焊接输出，电极E和工件W可以通过焊接线缆路径被 连接到焊接电源的焊接输出。

图6A-6B图示说明图5中的焊接电源部分在实现图2的AC形式的焊接输出电流波形 200时的操作。图6A图示说明图5的电路在焊接输出电流波形200的正部分期间的操作。 在本底电流段210、箍缩电流段220、峰值电流段230以及尾拖电流段240的时间期间(在 图6A的顶部中通过波形的加粗部分示出)，主桥接电路160的开关晶体管511和514导 通而主桥接电路160的开关晶体管512和513断开。结果，焊接输出电流如由图6A的顶 部中的实箭头所指示的流动。

在电流衰减的时间期间(在图6A的中部中通过波形的加粗部分示出)，只有辅助桥 接电路170的开关晶体管515和518导通。结果，二极管505变为反向偏置，防止来自功 率转换电路的电流的流动，并且储存于负载中的能量(由于负载的电感的缘故)用作电流 源。一般而言，焊接输出电流通过两个并行的电路衰减，如图6A的中部所示出的，所述 两个并行的电路包括开关晶体管中的全桥反向并行的二极管以及辅助桥接电阻器。更具体 地，储存于负载中的能量通过使焊接输出电流流过高阻抗路径而耗散，如由图6A的中部 和底部中的实箭头所指示的，所述高阻抗路径由辅助桥接电路的开关晶体管515和518、 辅助桥接电路的电阻器519和520以及主桥接电路的开关晶体管512和513的反向并行的 二极管来提供。这创建了电极E和工件W之间的高电位情况，根据已知的等式V＝L(di/dt)， 其中V是电压，L是电感，di是电流的变化并且dt是时间的变化，因而迫使焊接输出电 流迅速地衰减。根据本发明的实施方案，电阻器519和520的值小于两欧姆(例如，一欧 姆)。根据另一个实施方案，电阻器519和520的值小于一欧姆(例如，0.5欧姆)。

在低电流转变段215和225的时间期间(在图6A的底部中通过波形的加粗部分示出)， 同样地，只有辅助桥接电路170的开关晶体管515和518导通。一旦储存于负载中的能量 已经如上面所描述的耗散，二极管505变为正向偏置并且电流再次从功率转换电路流动。 结果，如由图6A的底部中的实箭头所指示的，焊接输出电流流过由开关晶体管515和518 以及电阻器519和520所提供的高阻抗路径，允许焊接输出电流被调节到一确定的低的水 平。

同样地，利用混合桥接电路180的焊接输出电流的这种迅速衰减和调节提供低飞溅条 件以及电极E和工件W之间的电弧的可靠重建。图6A-6B示出的负载表征电极E和工件 W之间的电弧以及将电极E和工件W连接到焊接电源的焊接线缆路径的电阻和电感。然 而，电极E、工件W和焊接线缆路径不是焊接电源的一部分。

类似地，图6B图示说明图5的电路在焊接电流波形的负部分期间的操作。在本底电 流段210、箍缩电流段220、峰值电流段230以及尾拖电流段240的时间期间(在图6B的 顶部中通过波形的加粗部分示出)，主桥接电路160的开关晶体管512和513导通而主桥 接电路160的开关晶体管511和514断开。结果，焊接输出电流如由图6B的顶部中的实 箭头所指示的流动。

在电流衰减的时间期间(在图6B的中部中通过波形的加粗部分示出)，只有辅助桥 接电路170的开关晶体管516和517导通。结果，二极管505变为反向偏置，防止来自功 率转换电路的电流的流动，并且储存于负载中的能量(由于负载的电感的缘故)用作电流 源。一般而言，焊接输出电流通过两个并行的电路衰减，如图6B的中部所示出的，所述 两个并行的电路包括开关晶体管中的全桥反向并行的二极管以及辅助桥接电阻器。更具体 地，储存于负载中的能量通过使焊接输出电流流过高阻抗路径而耗散，如由图6B的中部 和底部中的实箭头所指示的，所述高阻抗路径由辅助桥接电路的开关晶体管516和517、 辅助桥接的电阻器519和520以及主桥接电路的开关晶体管511和514的反向并行的二极 管来提供。这创建了电极E和工件W之间的高电位情况，因而迫使焊接输出电流迅速地 衰减。

在低电流转变段215和225的时间期间(在图6A的底部中通过波形的加粗部分示出)， 同样地，只有辅助桥接电路170的开关晶体管516和57导通。一旦储存于负载中的能量 已经如上面所描述的耗散，二极管505变为正向偏置并且电流再次从功率转换电路流动。 结果，如由图6B的底部中的实箭头所指示的，焊接输出电流流过由开关晶体管516和517 以及电阻器519和520所提供的高阻抗路径，允许焊接输出电流被调节到一确定的低的水 平。

一般而言，在熔融金属球250的转移期间，主桥接电路160开路，使得辅助桥接电路 170提供高阻抗路径而不中断电流流动。没有辅助桥接电路170，主桥接电路160将不得 不被完全中断，以致只有衰减路径将通过有源缓冲器181，使得焊接输出电流降到零。在 没有辅助桥接电路170的情况下，这样的操作不会提供所期望的可靠、受控的低飞溅条件 以及电弧重建。

图7图示说明图1的焊接电源100的一部分的第三示例性实施方案的示意图，所述焊 接电源100具有包括主桥接电路160和辅助桥接电路170的混合桥接电路180。同样在图 7中图示说明的是功率转换电路110的一部分710，其中功率转换电路100是基于斩波器 的电路。图7的混合桥接电路180具有全桥拓扑结构的形式，所述全桥拓扑结构可以与几 乎任何电源拓扑结构一起使用，提供灵活性以及添加到现有设计的电源的潜在性。主桥接 电路160包括开关晶体管711、712、713和714。辅助桥接电路170是部分辅助桥接电路 并且包括开关晶体管715和716以及电阻器717和718。根据实施方案，开关晶体管是绝 缘栅双极晶体管(IGBTs)。有源缓冲电路181被用来限制跨桥接电路180的电压。如本 文结合图2以及图8A至图8B所描述的，图7的混合桥接电路180提供AC焊接操作并 且提供高阻抗路径，以将焊接输出电流调节到低的水平来进行飞溅控制并且在焊接工艺期 间以特定时间间隔重建电极E和工件W之间的焊接电弧。焊接输出端子191和192被示 出并且表征焊接电源的焊接输出，电极E和工件W可以通过焊接线缆路径被连接到焊接 电源的焊接输出。

图8A-8B图示说明图7中的焊接电源部分在实现图2的AC形式的焊接输出电流波形 200时的操作。图8A图示说明图7的电路在焊接输出电流波形200的正部分期间的操作。 在本底电流段210、箍缩电流段220、峰值电流段230以及尾拖电流段240的时间期间(在 图8A的顶部中通过波形的加粗部分示出)，主桥接电路160的开关晶体管711和714导 通而主桥接电路160的开关晶体管712和713断开。结果，焊接输出电流如由图8A的顶 部中的实箭头所指示的流动。

在电流衰减的时间期间(在图8A的中部中通过波形的加粗部分示出)，只有辅助桥 接电路170的开关晶体管716导通。结果，如由图8A的中部中的实箭头所指示的，焊接 输出电流流过由开关晶体管716和电阻器718所提供的高阻抗路径，提供电极E和工件W 之间的高电位降，因而允许焊接输出电流迅速地衰减。根据实施方案，控制器预知何时输 出电流在电流衰减期间接近零并且将主桥接的开关(例如，开关711)转回导通。例如， 电源可以使用电流反馈电路150来监测焊接输出电流并且将监测到的电流提供回到控制 器130。一般而言，在熔滴转移期间，主桥接开路，并且如图8A的中部所示出的，主要 的衰减路径通过部分的辅助桥接以及相对的主桥接支路(leg)中的开关晶体管712的反向 并行的二极管。

在低电流转变段215和225的时间期间(在图8A的底部中通过波形的加粗部分示出)， 只有主桥接电路160的开关晶体管711导通，并且只有辅助桥接电路170的开关晶体管 716导通。结果，如由图8A的底部中的实箭头所指示的，焊接输出电流流过由开关晶体 管716和电阻器718所提供的高阻抗路径，因而允许焊接输出电流被调节到一确定的低的 水平。根据本发明的实施方案，电阻器717和718的值小于两欧姆(例如，一欧姆)。根 据另一个实施方案，电阻器717和718的值小于一欧姆(例如，0.5欧姆)。

同样地，利用混合桥接电路180的焊接输出电流的这种迅速衰减和调节提供低飞溅条 件以及电极E和工件W之间的电弧的可靠重建。图8A-8B示出的负载表征电极E和工件 W之间的电弧以及将电极E和工件W连接到焊接电源的焊接线缆路径的电阻和电感。然 而，电极E、工件W和焊接线缆路径不是焊接电源的一部分。

类似地，图8B图示说明图7的电路在焊接电流波形的负部分期间的操作。在本底电 流段210、箍缩电流段220、峰值电流段230以及尾拖电流段240的时间期间(在图8B的 顶部中通过波形的加粗部分示出)，主桥接电路160的开关晶体管712和713导通而主桥 接电路160的开关晶体管711和714断开。因此，焊接输出电流如由图8B的顶部中的实 箭头所指示的流动。

在电流衰减的时间期间(在图8B的中部中通过波形的加粗部分示出)，只有辅助桥 接电路170的开关晶体管715导通。结果，如由图8B的中部中的实箭头所指示的，焊接 输出电流流过由开关晶体管715和电阻器717所提供的高阻抗路径，提供电极E和工件W 之间的高电位降，因而允许焊接输出电流迅速地衰减。根据实施方案，控制器预知何时输 出电流在电流衰减期间靠近零并且将主桥接的开关(例如，开关713)转回导通。例如， 电源可以使用电流反馈电路150来监测焊接输出电流并且将监测到的电流提供回到控制 器130。一般而言，在熔滴转移期间，主桥接开路，并且如图8B的中部所示出的，主要 的衰减路径通过部分的辅助桥接以及相对的主桥接支路中的开关晶体管的反向并行的二 极管。

在低电流转变段215和225的时间期间(在图8B的底部中通过波形的加粗部分示出)， 只有主桥接电路160的开关晶体管713导通，并且只有辅助桥接电路170的开关晶体管 715导通。结果，如由图8B的底部中的实箭头所指示的，焊接输出电流流过由开关晶体 管715和电阻器717所提供的高阻抗路径，因而允许焊接输出电流被调节到一确定的低的 水平。同样地，焊接输出电流的这种迅速衰减和调节提供低飞溅条件以及电极E和工件W 之间的电弧的可靠重建。根据本发明的实施方案，开关晶体管受控制器130控制(导通或 断开)。

一般而言，在熔融金属球250的转移期间，主桥接电路160开路，使得辅助桥接电路 170提供高阻抗路径而不中断电流流动。没有辅助桥接电路170，主桥接电路160将不得 不被完全中断，以致只有衰减路径将通过有源缓冲器181，使得焊接输出电流降到零。在 没有辅助桥接电路170的情况下，这样的操作不会提供所期望的可靠、受控的低飞溅条件 以及电弧重建。

图9图示说明图1的焊接电源的一部分的第四示例性实施方案的示意图，所述焊接电 源具有包括主桥接电路160和辅助桥接电路170的混合桥接电路180。同样在图9中图示 说明的是功率转换电路110的一部分910，其中功率转换电路100是基于斩波器的电路。 图9的混合桥接电路180具有全桥拓扑结构的形式，所述全桥拓扑结构可以与几乎任何电 源拓扑结构一起使用，提供灵活性以及添加到现有设计的电源的潜在性。主桥接电路160 包括开关晶体管911、912、913和914。辅助桥接电路170是部分辅助桥接电路并且包括 开关晶体管915和916以及电阻器917。根据实施方案，开关晶体管是绝缘栅双极晶体管 (IGBTs)。有源缓冲电路181被用来限制跨桥接电路180的电压。如本文结合图2以及 图10A至图10B所描述的，图9的混合桥接电路180提供AC焊接操作并且提供高阻抗 路径，以将焊接输出电流调节到低的水平来进行飞溅控制并且在焊接工艺期间以特定时间 间隔重建电极E和工件W之间的焊接电弧。焊接输出端子191和192被示出并且表征焊 接电源的焊接输出，电极E和工件W可以通过焊接线缆路径被连接到焊接电源的焊接输 出。

图10A-10B图示说明图9中的焊接电源部分在实现图2的AC形式的焊接输出电流波 形200时的操作。图9A图示说明图9的电路在焊接输出电流波形200的正部分期间的操 作。在本底电流段210、箍缩电流段220、峰值电流段230以及尾拖电流段240的时间期 间(在图10A的顶部中通过波形的加粗部分示出)，主桥接电路160的开关晶体管911 和914导通而主桥接电路160的开关晶体管912和913断开。结果，焊接输出电流如由图 10A的顶部中的实箭头所指示的流动。

在电流衰减的时间期间(在图10A的中部中通过波形的加粗部分示出)，只有辅助桥 接电路170的开关晶体管916导通。结果，如由图10A的中部中的实箭头所指示的，焊接 输出电流流过由开关晶体管916和电阻器917所提供的高阻抗路径，提供电极E和工件W 之间的高电位降，因而允许焊接输出电流迅速地衰减。根据实施方案，控制器预知何时输 出电流在电流衰减期间靠近零并且将主桥接的开关(例如，开关911)转回导通。例如， 电源可以使用电流反馈电路150来监测焊接输出电流并且将监测到的电流提供回到控制 器130。一般而言，在熔滴转移期间，主桥接开路，并且如图10A的中部所示出的，主要 的衰减路径通过部分的辅助桥接以及相对的主桥接支路中的开关晶体管的反向并行的二 极管。

在低电流转变段215和225的时间期间(在图10A的底部中通过波形的加粗部分示 出)，只有主桥接电路160的开关晶体管911导通，并且只有辅助桥接电路170的开关晶 体管916导通。结果，如由图10A的底部中的实箭头所指示的，焊接输出电流流过由开关 晶体管916和电阻器917所提供的高阻抗路径，因而允许焊接输出电流被调节到一确定的 低的水平。根据本发明的实施方案，电阻器917的值小于两欧姆(例如，一欧姆)。根据 另一个实施方案，电阻器917的值小于一欧姆(例如，0.5欧姆)。

同样地，利用混合桥接电路180的焊接输出电流的这种迅速衰减和调节提供低飞溅条 件以及电极E和工件W之间的电弧的可靠重建。图10A-10B示出的负载表征电极E和工 件W之间的电弧以及将电极E和工件W连接到焊接电源的焊接线缆路径的电阻和电感。 然而，电极E、工件W和焊接线缆路径不是焊接电源的一部分。

类似地，图10B图示说明图9的电路在焊接电流波形的负部分期间的操作。在本底电 流段210、箍缩电流段220、峰值电流段230以及尾拖电流段240的时间期间(在图10B 的顶部中通过波形的加粗部分示出)，主桥接电路160的开关晶体管912和913导通而主 桥接电路160的开关晶体管911和914断开。结果，焊接输出电流如由图10B的顶部中的 实箭头所指示的流动。

在电流衰减的时间期间(在图10B的中部中通过波形的加粗部分示出)，只有辅助桥 接电路170的开关晶体管915导通。结果，如由图10B的中部中的实箭头所指示的，焊接 输出电流流过由开关晶体管915和电阻器917所提供的高阻抗路径，提供电极E和工件W 之间的高电位降，因而允许焊接输出电流迅速地衰减。根据实施方案，控制器预知何时输 出电流在电流衰减期间靠近零并且将主桥接的开关(例如，开关912)转回导通。例如， 电源可以使用电流反馈电路150来监测焊接输出电流并且将监测到的电流提供回到控制 器130。一般而言，在熔滴转移期间，主桥接开路，并且如图10B的中部所示出的，主要 的衰减路径通过部分的辅助桥接以及相对的主桥接支路中的开关晶体管的反向并行的二 极管。

在低电流转变段215和225的时间期间(在图10B的底部中通过波形的加粗部分示 出)，只有主桥接电路160的开关晶体管912导通，并且只有辅助桥接电路170的开关晶 体管915导通。结果，如由图10B的底部中的实箭头所指示的，焊接输出电流流过由开关 晶体管915和电阻器917所提供的高阻抗路径，因而允许焊接输出电流被调节到一确定的 低的水平。同样地，焊接输出电流的这种迅速衰减和调节提供低飞溅条件以及电极E和工 件W之间的电弧的可靠重建。根据本发明的实施方案，开关晶体管受控制器130控制(导 通或断开)。

一般而言，在熔融金属球250的转移期间，主桥接电路160开路，使得辅助桥接电路 170提供高阻抗路径而不中断电流流动。没有辅助桥接电路170，主桥接电路160将不得 不被完全中断，以致只有衰减路径将通过有源缓冲器181，使得焊接输出电流降到零。在 没有辅助桥接电路170的情况下，这样的操作不会提供所期望的可靠、受控的低飞溅条件 以及电弧重建。

总的来说，用于提供受控的AC弧焊工艺的系统和方法被公开。在弧焊电源的实施方 案中，主桥接电路和辅助桥接电路的配置允许通过焊接输出电路路径的输出焊接电流的方 向切换，并且选择性地提供一个或更多个高阻抗路径来迅速地衰减电弧电流。高阻抗路径 有助于熔融金属球从可消耗电极到工件的低飞溅转移，并且进一步有助于在熔融金属球被 转移时可消耗电极和工件之间的电弧的保持或重建。

在所附的权利要求书中，术语“包括(including)”和“具有(having)”被用作术 语“包括(comprising)”的简明语言替代形式；术语“其中(in which)”等同于“其中 (wherein)”。此外，在所附的权利要求书中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“上”、 “下”、“底”、“顶”等仅被用作标示(label)，而不意图对其对象施加数值或位置要 求。此外，所附的权利要求书的限定内容没有以“装置加功能(means-plus-function)”形 式书写，而不意图被基于35U.S.C.§112第六段来解释，除非这样的权利要求限定内容 明确地使用短语“用于……的装置(means for)”、其后跟着缺乏进一步结构的功能说明。 如本文所使用的，以单数形式并且继续以词汇“一(a)”或“一(an)”叙述的部件或 步骤应当被理解为不排除复数的所述部件或步骤，除非这样的排除被明确说明。此外，对 本发明的“一个实施方案”的参考不意图被理解为排除附加实施方案的存在，这些附加实 施方案也包括所叙述的特征。另外，除非明示地给出相反的说明，“包括 (comprising/including)”或“具有(having)”拥有特定性质的部件或多个部件的实施 方案可以包括附加的这样的部件，所述这样的部件不拥有该性质。再有，特定实施方案可 以被示出为具有相同或相似的部件，然而，这仅仅是出于图示说明的目的，并且这样的实 施方案不必需要具有相同的部件，除非在权利要求书中规定了这一点。

如本文中所使用的，术语“可能(may)”和“可能(may be)”表示在一组情形下 发生的可能性；拥有规定的性质、特性或功能的；和/或通过表述与限定的动词相关联的 能力(ability)、能力(capability)或可能性中的一个或更多个而限定另一动词。因此， “可能(may)”和“可能(may be)”的使用表示修饰的术语对于所表示的能力、功能 或用途是明显适合的、能胜任的或适用的，同时考虑的是在某些情形下，所述修饰的术语 可能有时不是适合的、能胜任的或适用的。例如，在某些情形下，可以预期一事件或能力， 而在其他情形下，该事件或能力可以不出现——这一区别由术语“可能(may)”和“可 能(may be)”准确体现(capture)。

本书面说明使用包括最佳模式的实施例来公开本发明，并且也使得本领域的普通技术 人员能够实践本发明，包括形成和使用任何装置或系统并且执行任何所包括的方法。本发 明的可专利的范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域的普通技术人员想到的其他实 施例。如果这样的其他实施例具有未区别于权利要求书的文字语言的结构性要素或者如果 这样的其他实施例包括与权利要求书的文字语言没有实质性不同的等同的结构性要素，则 意图这样的其他实施例在权利要求书的范围内。

尽管已经参照某些实施方案描述了本申请所要求保护的主题，但是本领域技术人员将 理解，可以进行各种改变并且等同方案可以被替代，而不偏离所要求保护的主题的范围。 另外，可以进行许多修改来使特定情形或材料适用于所要求保护的主题的教导，而不偏离 其范围。因此，并不意图将所要求保护的主题限于所公开的特定实施方案，而是意图所要 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方案。

参考标号

5     焊丝送进器          513   晶体管

100   焊接电源            514   晶体管

110   功率转换电路        515   晶体管

120   波形发生器          516   晶体管

130   控制器              517   晶体管

140   电压反馈电路        518   晶体管

150   电流反馈电路        519   晶体管

160   主桥接电路          520   晶体管

170   辅助桥接电路        710   部分

180   混合桥接电路        711   晶体管

181   缓冲器              712   晶体管

191   输出端子            713   晶体管

192   输出端子            714   晶体管

200   波形                715   晶体管

210   本底电流段          716   晶体管

215   第一低电流转变段    717   晶体管

220   箍缩电流段          718   晶体管

225   第二低电流转变段    910   部分

230   峰值电流段          911   晶体管

240   尾拖电流段          912   晶体管

250   熔融金属球          913   晶体管

260   焊接电极            914   晶体管

270   工件                915   晶体管

280   焊接电弧            916   晶体管

310   部分                917   晶体管

311   晶体管

312   晶体管              B     时间

313   晶体管              C     时间

314   晶体管              D     时间

315   晶体管              E     焊接电极

505   二极管              L     电感

510   部分                V     电压

511   晶体管              W     工件

512   晶体管