用于通过根据状态检测电压的焊接电流控制进行异常阴极事件控制的系统和方法

摘要

一种操作焊接系统(10)的方法包括通过多个脉冲周期将焊接电流和焊接电压供应到电极(18)，其中多个脉冲周期的每个脉冲周期包括本底相位和峰相位。所述方法还包括在多个脉冲周期的第一脉冲周期的本底相位期间至少部分地基于焊接电压的电压值何时大于检测电压来检测异常阴极事件的发生。所述方法还包括在异常阴极事件的一部分期间将焊接电流控制到所期望的电流。所述部分包括第一脉冲周期的本底相位的间隔，并且在异常阴极事件的所述部分期间独立于焊接电压来控制焊接电流。

说明书

相关申请的参见引用

此申请要求2013年6月13日提交的标题为“异常阴极事件控制 (ANOMALOUSCATHODEEVENTCONTROL)”的美国临时申请序号61/834,738的 优先权和权益，该临时申请的全文为了所有目的以引用的方式并入本文。

背景技术

本发明总体上涉及焊接系统，并且具体来说涉及用于气体保护金属极弧焊 (GMAW)的焊接系统的控制。

弧焊系统通常包括电源，所述电源将电流施加到电极以使得电弧通过电极 与工件之间，从而加热电极和工件以形成焊缝。在许多系统中，电极由前进通 过焊炬的焊丝构成。在焊接过程期间，熔融焊丝的部分通过电弧熔敷在工件 上。不幸地，电弧的不稳定性影响电极到焊缝的施加。

发明内容

以下阐述与原始要求的发明的范围相称的某些方面。应理解，这些方面仅 呈现来为读者提供本发明可能采用的某些形式的简要概述，并且这些方面并不 旨在限制本发明的范围。事实上，本发明可以涵盖以下可能未阐述的各种方 面。

在一个实施例中，一种焊接系统包括电源和联接到电源的控制电路。电源 被配置成在多个脉冲周期中将焊接电力供应到焊炬，其中每个脉冲周期包括峰 相位和本底相位。焊接电力包括焊接电流和焊接电压。控制电路被配置成当在 本底相位中焊接电压的电压值大于检测电压时，将焊接电流控制到本底电流。

在另一实施例中，一种操作焊接系统的方法包括通过多个脉冲周期将焊接 电流和焊接电压供应到电极，其中多个脉冲周期中的每个脉冲周期包括本底相 位和峰相位。方法还包括在多个脉冲周期的第一脉冲周期的本底相位期间至少 部分地基于焊接电压的电压值何时大于检测电压来检测异常阴极事件的发生。 方法还包括在异常阴极事件的一部分期间将焊接电流控制到所期望的电流。所 述部分包括第一脉冲周期的本底相位的间隔，并且在异常阴极事件的所述部分 期间独立于焊接电压来控制焊接电流。

在另一实施例中，一种操作焊接系统的方法包括在第一脉冲周期的第一峰 相位中将峰值电流值下的焊接电流和峰值电压值下的焊接电压供应到焊丝。在 第一峰相位期间焊接电流至少部分地基于焊接电压来间接地控制。方法还包括 在第一脉冲周期的本底相位的第一部分处将本底电流值下的焊接电流和本底电 压值下的焊接电压供应到焊丝。方法还包括在第一脉冲周期的本底相位的第二 部分期间独立于焊接电压将焊接电流控制到本底电流值，其中本底相位的第二 部分包括异常阴极事件。

附图说明

本发明的这些和其他特征、方面和优点将在参照附图阅读以下详细描述时 变得更好理解，其中相同附图标记在全部图中代表相同部分，其中：

图1是具有电源和送丝器的MIG焊接系统的实施例；

图2是示出在异常阴极事件期间的脉冲电压和电流波形的图表；

图3是示出在异常阴极事件期间的脉冲电压和具有受控的电流波形的电流 波形的图表；以及

图4是示出在异常阴极事件期间控制电流的步骤的流程图。

具体实施方式

以下将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简明 描述，在说明书中可能未描述实际实施方式的所有特征。应了解，在任何这些 实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出若干实施方式 专用决定以实现开发者的特定目标，诸如符合系统相关和商业相关的约束，这 些目标可能在各实施方式之间不同。此外，应了解，这些开发工作可能是复杂 且耗时的，但是对于受益于本发明的普通技术人员而言将仍然是从事设计、生 产和制造的例行任务。

现在转向附图，并且首先参照图1，示例性焊接系统10被示出为包括联接 到送丝器14的电源12。在所示实施例中，电源12与送丝器14分开，使得送 丝器14可以定位在距电源12一定距离处靠近焊接位置。然而，应理解，在一 些实施方式中，送丝器14可以与电源12是一体的。电源12可以通过送丝器 14将焊接电力供应到焊炬16，或者电源12可以将焊接电力直接供应到焊接 16。送丝器14将电极丝18(例如，实芯焊丝、药芯焊丝、涂层焊丝)供应到 焊炬16。气体源20(可以与电源12是一体的或者与其分开)将气体(例如， CO₂、氩气)供应到焊炬16。操作者可以接合焊炬16的触发器22以在电极18 与工件26之间引起电弧24。在一些实施例中，焊接系统10可以通过自动化界 面来触发，所述自动化界面包括但不限于可编程逻辑控制器(PLC)或机器人 控制器。焊接系统10被设计成将焊丝(例如，电极18)、焊接电力和保护气 体提供给焊炬16。如本领域技术人员将了解的，焊接16可以具有许多不同的 类型，并且可以便于电极18与气体的各种组合的使用。

焊接系统10可以通过提供在电源12上的操作者界面28接收来自操作者 的数据设置。操作者界面28可以并入到电源12的面板中，并且可以允许选择 设置，诸如焊接过程(例如，粘结焊、TIG、MIG)、待使用的焊丝的类型、电 压和电流设置、过渡模式(例如，短路、脉冲、喷射、脉冲)等。具体来说， 焊接系统10允许具有各种材料(诸如，钢或铝)的电极18(例如，焊丝)的 MIG焊接(例如，脉冲MIG、喷射、短路、调节金属熔敷(即，))通过 焊炬16被引导。焊接设置被传达到电源12内的控制电路30。此外或可替代 地，控制电路30在送丝器14、焊炬16、气体供应器20或者焊接系统10的另 一部件内。

以下更详细描述的控制电路30操作以控制焊接电力输出的产生，所述焊 接电力输出由电力转换电路32施加到电极18以执行所期望的焊接操作。在一 些实施例中，控制电路30可以适合于调节脉冲MIG焊接机制，所述脉冲MIG 焊接机制可以具有熔融金属从焊丝到进行中的焊接的熔融焊池的短路过渡和/ 或喷射过渡的方面。如以下更充分描述的，这些过渡模式可以在操作期间通过 调整用于在电极18与工件26之间形成的电弧24的电流和电压脉冲的操作参 数来控制。“脉冲焊接”或“脉冲MIG焊接”是指产生脉冲功率波形诸如以控 制金属液滴熔敷到进行中的焊池中的技术。在本发明的特定实施例中，可以实 施脉冲焊接机制，其中在影响焊接电压的异常阴极事件期间将电弧的焊接电流 控制到所期望的电流。也就是说，在异常阴极事件期间可以独立于焊接电压来 控制焊接电流。

控制电路30联接到电力转换电路32，所述电力转换电路供应施加到在焊 炬16处的电极18的焊接电力(例如，脉冲波形)。电力转换电路32联接到 由箭头34所指示的电力源。施加到电力转换电路32的电力可以源自电网，然 而也可以使用其他电力源，诸如通过发动机驱动的发电机、电池、燃料电池或 其他可替代源产生的电力。电力转换电路32的部件可以包括斩波器、升压转 换器、降压转换器、逆变器等。

控制电路30控制供应到焊炬16的焊接电力的电流和/或电压。控制电路 30可以至少部分地基于送丝器14或焊炬16内的一个或多个传感器36来监控 电弧24的电流和/或电压。在一些实施例中，控制电路30的处理器38至少部 分地基于来自传感器36的反馈来确定和/或控制电弧长度或电极伸出长度。本 文中电弧长度被定义为电极18与工件26之间的电弧的长度。处理器38利用 存储在存储器40中的数据(例如，算法、指令、操作点)来确定和/或控制电 弧长度或电极伸出长度。存储在存储器40中的数据可以通过操作者界面28、 网络连接来接收，或者在控制电路30组装之前预载入。电源12的操作可以在 一个或多个模式下控制，诸如恒定电压(CV)调节模式，其中当在焊接操作期 间改变焊接电流时控制电路30将焊接电压控制为基本上恒定。也就是说，焊 接电流可以至少部分地基于焊接电压。此外或可替代地，电源12可以在电流 控制模式下控制，其中独立于焊接电压来控制焊接电流。在一些实施例中，电 源12被控制成在恒定电流(CC)模式下操作，其中当在焊接操作期间改变焊 接电压时控制电路30将焊接电流控制为基本上恒定。

图2是脉冲焊接过程的焊接电压50和焊接电流52波形的实施例。示出了 在脉冲周期A、B和C期间焊接电压50波形和焊接电流52波形。在每个脉冲 周期的峰相位54期间，控制电路增加供应到电极的焊接电压50，从而从电极 的尖端形成熔融球和/或将熔融球从电极的尖端分开以熔敷在工件或焊池上。 焊接电压50从本底电压电平60增加到近似峰值电压62，从而将焊接电流52 从本底电流电平56增加到近似峰值电流58。焊接电压50和焊接电流52可以 从峰值电平降低到本底相位64。换言之，在峰相位54期间至少部分地基于焊 接电压50来间接地控制焊接电流52。在一些实施例中，在本底相位64期间， 熔融球可以在降低焊接电压50的短路事件66中将电极短暂地连接(join)到 焊池。在一些实施例中，熔融球从电极熔敷到焊池而没有短路事件66。在本底 相位64中，控制电路可以将焊接电压50大致维持在本底电压60，并且焊接电 流52可以大约保持在本底电流56，以维持电极与工件之间的电弧。焊接电力 通过焊接电流52和焊接电压50可以在本底相位64期间开始在电极的尖端处 形成另一熔融球。因此，每个脉冲周期通常可以通过峰相位54和本底相位64 来描述，其中在峰相位54期间焊接电压50增加，在本底相位64期间焊接电 流52期望是处于基本上恒定的电流值。

如本文所描述的，术语脉冲周期并不旨在限于仅用于脉冲MIG焊接机制的 焊接电压50和焊接电流52波形的循环(例如，峰相位54、本底相位64)。 如可以了解的，各种MIG焊接过程(例如，脉冲MIG、短路、喷射和RMD)的 焊接电压50和焊接电流52是循环的。也就是说，MIG过程的每个循环包括具 有升高的焊接电压50的一个或多个峰相位54和具有所期望的基本上恒定的焊 接电流52的一个或多个本底相位64。例如，峰相位54可以包括RMD过程的收 缩(pinch)、清除和/或球阶段，并且本底相位64可以包括RMD过程的闪 烁、本底、预短路和/或润湿阶段。如本文所使用的，术语脉冲周期可以包括 但不限于脉冲MIG焊接机制、短路过程、喷射过程或RMD过程或者其任何组合 的循环(例如，峰相位54和本底相位64的一个或多个序列)。

如可以了解的，控制电路30的处理器38可以至少部分地基于通过操作者 界面输入的所需焊接参数、电极、电极的进给速率、气体、工件或者其任何组 合来控制不同范围内的焊接电压50和焊接电流52。例如，本底电流电平56可 以在约25至250安培之间。峰值电流58可以在约300至700安培之间。在一 些实施例中，本底电压电平60可以在约15至25伏之间，并且峰值电压62可 以在约25至40伏之间。

脉冲过程的焊接电压50和焊接电流52波形通常可以类似于脉冲周期A。 然而，异常阴极事件68可以在一些脉冲周期的本底相位64中开始，并且持续 不同时间。一些异常阴极事件68可以仅在本底相位64的一部分期间持续，而 其他异常阴极事件68可以持续整个本底相位64并且持续到峰相位54的一部 分中。异常阴极事件68可能影响焊接电压50和焊接电流52，如脉冲周期B和 C中所示。脉冲周期B和C的异常阴极事件68示出在控制电路没有应用控制算 法(如下所描述)的情况下的焊接电压50和焊接电流52波形。在峰相位54 之后，焊接电压50可以在异常阴极事件68中升高。未减轻的异常阴极事件68 通过限制或缩窄电极与工件之间的电弧来影响该电弧。也就是说，脉冲周期B 的异常阴极事件68期间的电弧与脉冲周期A的本底相位64期间的相对宽和/ 或钟形电弧相比而言可以相对较窄。在没有以下描述的控制算法的情况下，当 控制电路试图将焊接电压50维持在所期望的本底电压60时，基于焊接电压50 控制的焊接电流52可以降低到低电流电平70。未减轻的异常阴极事件68对焊 接过程造成的影响可以包括但不限于增加飞溅的发生、不一致的球过渡、不规 则的焊接点外观、降低的电弧稳定性或者增加随后异常阴极事件68的可能性 或者其任何组合。

控制电路30的处理器38可以确定异常阴极事件的发生并且通过控制算法 控制焊接电流52以减少对焊接过程的影响。图3示出在焊接过程的脉冲周期 D、E和F期间脉冲过程的焊接电压50和焊接电流52波形的实施例。脉冲周期 E、F和G可以具有基本上均匀的脉冲持续时间。控制电路监控焊接电压50以 检测异常阴极事件80的开始(例如，升高焊接电压50)。在一些实施例中， 控制电路仅在本底相位64期间和/或不在峰相位54期间监控焊接电压50以监 控异常阴极事件80的开始。控制电路30的处理器38可以将焊接电压50与检 测电压(例如，V_detect)相比较，所述检测电压可能在异常阴极事件80的开始 时和异常阴极事件80期间被超出。当焊接电压50近似大于检测电压时(例 如，在异常阴极事件80期间)，控制电路30的处理器38可以至少部分地基 于存储在存储器40中的控制算法来控制焊接电流52，而非基于焊接电压50来 控制焊接电流52。例如，控制算法可以在异常阴极事件80期间不管焊接电压 50与本底电压60的偏差，引导控制电路将焊接电流52控制到近似本底电流 56或者其他所期望的电流值。异常阴极事件80的持续时间可以包括但不限于 小于本底相位64的约百分之10、25、50或75或更多的本底相位64的间隔 (例如，部分)。控制算法可以在脉冲周期E和F中的异常阴极事件80期间 引导控制电路30的处理器38将焊接电流52控制为与在脉冲周期D期间的本 底相位64期间的值近似相同，从而将焊接电流52控制为基本上不受异常阴极 事件80期间升高的焊接电压50的影响。存储在存储器40中的控制算法可以 在异常阴极事件80的至少一部分期间引导控制电路30的处理器38将焊接电 流52控制为独立于焊接电压50。在一些实施例中，控制算法在焊接电压50不 接近本底电压60的异常阴极事件80期间引导控制电路30的处理器38将焊接 电流52基本上维持在本底电流56。

异常阴极事件80可以在焊接电压50下降到大约低于终端电压(例如， V_end)时结束。如果异常阴极事件80在本底相位64期间结束，则控制算法可 以基于用于本底相位64的剩余部分的电极的操作点，引导控制电路30的处理 器38将焊接电流52维持在本底电流56或另一预定动态电流值。在一些实施 例中，控制算法可以在异常阴极事件80之前引导控制电路30的处理器38适 当地恢复电压调节方法(例如，恒定电压)。如果异常阴极事件80在另一相 位(例如，峰相位54)期间结束，则控制算法可以引导控制电路30的处理器 38将焊接电流52调整到适当的电流电平。例如，如果异常阴极事件80在峰相 位54中结束，则控制算法引导控制电路30的处理器38将焊接电流52控制到 本底电流56与峰值电流电平58之间的适当的电流电平，从而使得焊接电流波 形52能够在脉冲周期之间基本上维持电流波形的均匀性。例如，本底相位64 对于每个脉冲周期可以具有相同的本底持续时间(例如，约1至20、2至15 或3至10毫秒)，并且峰相位54可以具有相同的峰值持续时间(例如，约 0.5至5、0.75至4或1至3毫秒)。控制算法使得控制电路30的处理器38 能够在典型调节模式(例如，恒定电压调节)之外的异常阴极事件80期间控 制焊接电流52，从而减少飞溅的发生、增加球过渡到焊池的一致性、改进焊缝 的外观、增加电弧稳定性或者减小随后异常阴极事件80的可能性或者其任何 组合。

检测电压(V_detect)和终端电压(V_end)可以至少部分地基于电极性能、在 焊接操作期间所使用的气体、电极的操作点和/或保护气体的操作点。电极的 操作点和保护气体的操作点可以根据经验确定并且存储在控制电路30的存储 器40中。例如，操作点可以存储在具有控制算法的存储器40中。在一些实施 例中，V_detect和/或V_end可以大于本底电压60并且小于峰值电压62。例如， V_detect可以在约25至35V之间，并且V_end可以在约15至25V之间。用于 V_detect的电压值可以是约1、2、3、4、5、6、7、8、9或10V或者大于本底电 压60。此外或可替代地，V_detect可以大约比本底电压60大百分之1、2、3、 5、10或20。在一些实施例中，用于电极与气体的各种组合的V_detect和/或V_end的值可以在焊接过程之前或在焊接过程期间从存储器载入到控制电路。用于 V_detect和/或V_end的值可以是至少部分地基于电流反馈、电极伸出长度或电弧长 度或者其任何组合的模拟电压。非异常阴极脉冲周期(例如，脉冲周期D)期 间的焊接电压50可以具有跨电极(例如，V_EE)、电弧(例如，V_arci、V_anode、 V_cathode)和工件的电压分量。在一些实施例中，模拟电压可以至少部分地基于 在一个或多个非异常阴极脉冲周期期间焊接电压50的分开计算的电压分量的 和。例如，模拟电压可以至少部分地基于来自状态观测器(例如，卡尔曼滤波 器)的反馈，所述状态观测器从控制电路、电力转换电路和传感器中的至少一 个接收实时反馈。控制电路30的处理器38可以至少部分地基于来自焊炬中的 传感器的反馈来确定电极伸出长度和/或电弧长度。

图4示出用于操作焊接系统并且开始以上描述的控制算法的方法100的实 施例。操作者可以通过操作者界面和/或通过将部件(例如，送丝器、焊炬、 气体供应器)联接到电源来设置(方框102)用于焊接操作的焊接参数。焊接 参数可以包括但不限于电流、电压、过渡模式、脉冲持续时间、脉冲频率、工 件材料、电极和供应器或者其任何组合。电源将电力供应(方框104)到焊 炬，并且操作者可以接合(方框106)触发器以在焊炬的电极与工件之间引起 电弧。在本底相位(方框108)期间，通过焊炬供应到电极的焊接电力形成 (方框110)球并且维持电极与工件之间的电弧。在一些实施例中，控制电路 30的处理器38可以在本底相位期间将焊接电流和焊接电压控制为基本上恒定 的值。在控制电路30的处理器38确定(节点112)本底相位结束(例如，本 底相位中的时间t已经超出脉冲周期的本底间隔)之后，控制电路30可以过 渡到峰相位(方框114)。在峰相位(方框114)期间，熔融球可以从电极分 开(方框116)以熔敷在焊池中。控制电路30可以在峰相位期间控制焊接电流 和焊接电压增加。当操作者接合触发器(方框106)或者自动化界面接合焊接 系统时本底相位(方框108)和峰相位(方框114)可以在焊接过程的持续时 间重复。在一些实施例中，控制电路30的处理器38可以通过重复的本底相位 与峰相位之间的附加相位控制焊接电流和焊接电压。

在本底相位(方框108)期间，控制电路30的处理器38监控焊接电压。 在节点118处，控制电路30的处理器38将焊接电压与电压检测值(V_detect)相 比较以确定是否发生异常阴极事件。V_detect可以动态地确定和/或从控制电路的 存储器载入。如果焊接电压大于电压检测值，则控制电路30的处理器38使用 控制算法120来减轻异常阴极事件对焊接过程的影响。在控制算法120中，控 制电路30的处理器38停止(方框122)或暂停主动电压调节方法。例如，控 制电路30的处理器38可以使用电压调节方法(例如，恒定电压方法)来控制 焊接电压和/或焊接电流以维持所期望的电弧长度或电极伸出长度。在一些实 施例中，控制电路30的处理器38可以诸如通过从存储器40清除所存储的数 据(例如，滑动平均、传感器反馈)来重置(方框124)主动电压调节方法。 重置主动电压调节方法可以增加电压调节方法的准确性和/或可靠性，从而增 加电弧的稳定性。例如，主动电压调节方法可以利用存储在存储器40中的先 前测量的电流和/或电压测量。在异常阴极事件期间的电弧的状况(例如，测 量的电流和/或电压)与在非异常阴极事件(例如，脉冲周期D)的本底相位期 间不同。因此，用于主动电压调节方法的存储在存储器40中的先前测量的电 流和/或电压测量被重置(方框124)，以使得能够在不使用来自用于主动电压 调节方法的异常阴极事件的测量的电流和/或电压测量的情况下在方框132处 恢复主动电压调节方法。

控制算法120引导控制电路30的处理器38将焊接电流调整(方框126) 到所期望的本底电流、预定电流值或动态确定的电流值。在一些实施例中，所 期望的本底电流可以近似地与来自先前脉冲周期的先前本底相位期间的本底电 流相同。控制电路30的处理器38可以至少部分地基于电极、焊丝或其任何组 合来在缓变率(例如，线性)下将焊接电流增加或降低到所期望的本底电流。 缓变率可以存储在存储器40中或者以其他方式在本底相位期间在控制电路30 内确定。此外或可替代地，缓变率可以根据经验确定并且存储在具有算法的存 储器40中。

如果控制电路30的处理器38确定(节点128)本底相位未结束(例如， 本底相位中的时间t尚未超出本底间隔)，则控制电路30的处理器38确定 (节点130)焊接电压是否小于终端电压V_end。如果焊接电压小于V_end，则控 制算法可以确定异常阴极事件已经结束，并且控制算法引导控制电路30的处 理器38恢复(方框132)主动电压调节方法并且返回到方框110。如果焊接电 压大于V_end，则控制算法可以将焊接电流调整(方框126)到本底电流，并且 循环通过节点128和130直到本底相位结束或者焊接电压小于V_end(例如，异 常阴极事件结束)。如果本底相位结束而焊接电压大于V_end，则控制算法引导 控制电路调整(方框134)用于下一个相位(例如，峰相位114)的焊接电 流，并恢复(方框136)主动电压调节方法。例如，如果异常阴极事件持续到 峰相位114中，则控制算法引导控制电路30的处理器38将焊接电流增加到适 当的焊接电流，以基本上与先前峰值焊接电流波形一致，从而减少异常阴极事 件对焊接电流的峰相位的影响。

虽然本文仅示出和描述本发明的某些特征，但是本领域技术人员将会想到 许多修改和改变。因此，应理解，所附权利要求旨在涵盖落入本发明的真实精 神内的所有这些修改和改变。