用於空氣碳弧切割的方法和設備與流程
2023-09-15 14:58:20 1
本公開大體上涉及焊接型電力供應器以及提供焊接型電力的領域。更具體來說，本公開涉及用於空氣碳弧切割的焊接型電力供應器以及提供用於空氣碳弧切割的焊接型電力。
背景技術：
有許多已知類型的焊接型電力供應器。如本文所使用，焊接型電力表示適用於電弧焊接、等離子體電弧切割或感應加熱的電力。如本文所使用，焊接型系統是可提供焊接型電力的系統，並且可包含控制與電力電路、送絲機和附屬設備。如本文所使用，焊接型電力供應器是可提供焊接型電力的電力供應器。
提供焊接型電力以及設計用於提供焊接型電力的系統提出了獨特挑戰。焊接型系統常從一個位置移動到另一位置，並且以不同的輸入來使用，如單相或三相或115v、230v、460v、575v等或50hz或60hz信號。被設計成用於單輸入的電力供應器不能跨越不同的輸入電壓提供一致的輸出，並且這些電力供應器中在特定的輸入電平下安全地操作的部件當在替代的輸入電平下工作時可能會損壞。並且，大多數領域的電力供應器被設計成用於相對穩定的負載。另一方面，焊接是一種非常動態的過程，並且很多的變量影響輸出電流和負載，例如，電弧長度、焊條類型、防護物類型、空氣流、工件上的灰塵、熔池大小、焊縫取向、操作員的技術，並且最後一點是被確定為最適合應用的焊接工藝的類型。這些變量不斷變化，並且導致不斷變化且不可預測的輸出電流和電壓。許多領域的電力供應器被設計成用於低電力輸出。焊接型電力供應器是高電力的，並且存在著許多問題，例如，開關損耗、線路損耗、熱損傷、感應損耗以及電磁幹擾的產生。因此，焊接型電力供應器設計人員面臨著許多獨特的挑戰。
此外，焊接型電力供應器或系統常常是為一種或多種特定的工藝銷售的，例如，焊條焊接、tig、mig、脈衝焊接、埋弧焊接、加熱、切割，且最大輸出電力或電流可以是從一百以下安培到五百以上安培的任意值。一些焊接工藝是使用受控電流(cc)輸出來執行的，並且其它是使用受控電壓(cv)輸出來執行的。專用於單個工藝和單個輸出的焊接型電力供應器是較容易設計的。然而，許多用戶偏愛多工藝的焊接型電力供應器，以便避免針對每一工藝而具有一個電力供應器。
有許多用於焊接型電力供應器中的不同拓撲。開關電力供應器常用於實現輸出控制。現有技術的一種用於各種工藝的焊接型電力供應器描述在第13/839235號專利公開中，該專利公開是作為us-2014-0021180-a1公開並以引用方式併入本文中。此電力供應器良好適用於使用輸出逆變器的脈衝寬度調製來控制輸出。所述電力供應器包含預調節器、高電壓分割式總線以及堆疊式逆變器輸出。現有技術的另一種良好適用於輸出的pwm控制的焊接型電力供應器描述在也以引用方式併入本文中的第8455794號專利中。
所執行的一種焊接型工藝是空氣碳弧切割(cac-a)。cac-a涉及使用碳-石墨電極，並且電極與工件之間的電弧使金屬的一部分熔融，而空氣射流經過電弧以吹走熔融金屬。所述工藝用於切割和刨削，並且可以手動進行或機械化。cac-a是使用焊條焊接模式或cv模式而在現有技術的焊接電力供應器上執行。現有技術的焊接型電力供應器不包含cac-a模式。如本文所使用的cac-a模式表示專用於空氣碳弧切割(cac-a)的焊接型電力供應器的模式，並且包含用於cac-a的控制方案。
因為現有技術的焊接型電力供應器不具有cac-a模式，所以控制與輸出電力沒有被設計成用於cac-a，並且所述工藝可能是困難的。有不同cac-a技術，包含沿著表面掠過以使表面平滑，在表面處輕觸以移除小區域以及刨削大區域。為cac-a提供電力可能是麻煩的，這是因為輕觸和掠過可包含簡短的電弧中斷。當使用焊接型電力供應器時，cac-a啟動可能特別困難，這是因為啟動算法是用於另一工藝(例如，焊條焊接)。並且，電流輸出的改變是針對另一工藝(例如，焊條焊接)而不是針對cac-a來定製的。因此，需要包含cac-a模式的焊接型電力供應器。優選地，所述焊接型電力供應器包含適用於cac-a的啟動算法。
技術實現要素：
根據本公開的第一方面，一種使用焊接型電力供應器進行空氣碳弧切割的方法包括：選擇cac-a模式和所選擇的電流設定點；以及停用輸出中的焊條焊接下降。設定大於焊條焊接挖掘斜率的cac-a挖掘斜率以及大於焊條焊接挖掘閾值的cac-a挖掘閾值。設定大於焊條焊接熱啟動電流的cac-a熱啟動電流以及cac-a熱啟動時間和cac-a熱啟動延遲時間。設定大於電流設定點的cac-a啟動電流以及cac-a啟動電流時間。還設定小於焊條焊接轉換速率的cac-a轉換速率。使用焊接型電力供應器而提供電力，以使得當檢測到開路並接著在熱啟動延遲時間內檢測到電流時，提供cac-a啟動電流持續cac-a啟動電流時間。當電流高於cac-a挖掘閾值時並在cac-a啟動電流時間之後，以cac-a轉換速率增大電流直到以電流設定點提供電流為止。當檢測到開路並且沒有在熱啟動延遲時間內檢測到電流時，提供熱啟動電流持續cac-a熱啟動時間。當檢測到開路並且沒有在熱啟動延遲時間內檢測到電流，並且輸出電壓小於cac-a挖掘閾值時，增加cac-a熱啟動時間。
根據本公開的第二方面，一種使用焊接型電力供應器以提供輸出而進行空氣碳弧切割(cac-a)的方法包含：選擇cac-a模式；以及在cac-a模式中以所選擇的電流設定點提供電流。
根據本公開的第三方面，一種焊接型電力供應器包含：用戶模式選擇器，包含空氣碳弧切割(cac-a)模式；電力電路，接收輸入電力並提供cac-a電力，並且具有控制輸入；以及控制器，具有連接到控制輸入的控制輸出。控制器具有響應於cac-a模式的cac-a控制模塊，並且具有指示輸出電流和/或指示輸出電壓的反饋。
在一個實施例中，當處於cac-a模式中時，停用輸出中的焊條焊接下降。
在各種實施例中，設定大於焊條焊接挖掘斜率的cac-a挖掘斜率以及大於焊條焊接挖掘閾值的cac-a挖掘閾值，並且當輸出電壓小於挖掘閾值時，以挖掘斜率提供輸出。
在一個替代中，cac-a挖掘斜率是約30安培/伏特，並且cac-a挖掘閾值是約25伏特。
在另一替代中，設定大於焊條焊接熱啟動電流的cac-a熱啟動電流以及cac-a熱啟動時間和cac-a熱啟動延遲時間，並且當檢測到開路並且沒有在熱啟動延遲時間內檢測到電流時，提供熱啟動電流持續cac-a熱啟動時間。
在一個替代中，cac-a挖掘斜率是至少24安培/伏特，cac-a挖掘閾值是至少23伏特，cac-a熱啟動電流約兩倍於電流設定點，cac-a熱啟動時間是約100毫秒，cac-a熱啟動延遲時間是至少150毫秒，cac-a啟動電流比電流設定點大至少10％，cac-a啟動電流時間是約10毫秒，並且cac-a轉換速率是約125安培/毫秒。
在一個實施例中，cac-a熱啟動電流約兩倍於電流設定點，cac-a熱啟動時間是約100毫秒，並且cac-a熱啟動延遲時間是約200毫秒。
在各種實施例中，當檢測到開路並且沒有在熱啟動延遲時間內檢測到電流，並且輸出電壓小於cac-a挖掘閾值時，增加cac-a熱啟動時間。
在各種替代中，cac-a啟動電流比電流設定點大了約12.5％，並且cac-a啟動電流時間是約10毫秒，並且cac-a轉換速率是約125安培/毫秒或200安培/毫秒。
在另一替代中，當檢測到開路並在熱啟動延遲時間內檢測到電流時，提供cac-a啟動電流持續cac-a啟動電流時間，並且接著以cac-a轉換速率增大電流直到以電流設定點提供電流為止。
在一個實施例中，cac-a控制模塊包含cac-a啟動模塊。
在各種實施例中，cac-a控制模塊包含具有大於焊條焊接挖掘閾值的挖掘閾值並具有挖掘斜率的cac-a挖掘模塊。
在另一實施例中，cac-a啟動模塊包含響應於反饋輸入的大於焊條焊接熱啟動電流的cac-a熱啟動電流、cac-a熱啟動時間、cac-a熱啟動延遲時間。
在一個實施例中，cac-a啟動模塊包含響應於輸出電壓小於cac-a挖掘閾值的cac-a增大熱啟動模塊。
在各種實施例中，cac-a啟動模塊包含具有cac-a啟動電流時間和cac-a轉換速率並響應於反饋輸入的焊接啟動模塊。
在另一實施例中，cac-a控制模塊包含下降停用模塊。
其它主要特徵和優點對於本領域的技術人員來說將在查閱附圖、具體實施方式和權利要求書之後變得明顯。
附圖說明
圖1是焊接型電力供應器的框圖；以及
圖2是用於圖1的焊接型電力供應器的控制器。
在詳細解釋至少一個實施例之前，應理解，本發明的應用不限於以下描述中所闡述或附圖中所圖示的部件的構造和布置的細節。本發明能夠具有其它實施例，或以各種方式實踐或進行。並且，應理解，本文所使用的用語和術語是出於描述的目的且不應視為限制性的。相同參考標記用於表示相同部件。
具體實施方式
雖然參照特定焊接型電力供應器、電力電路、控制器和控制模塊來說明本公開，但應了解，在一開始，其它焊接型電力供應器、電力電路、控制器和控制模塊也可用於實施本發明。
通常，焊接型電力供應器包含專門被設計成用於cac-a的操作模式，其中在所述操作模式中，提供cac-a電力。電弧啟動和閉環控制特別良好適用於cac-a。例如在焊接型電力供應器的前面板上的用戶模式選擇器允許用戶指定輸出應該用於cac-a。優選實施例提出其它模式包含焊條焊接、tig、mig，並且可提供cc或cv。
優選實施例提出，當處於cac-a模式中時，通常為焊條焊接模式提供的下降被停用。這允許cac-a模式中的va曲線延伸到單元的全容量，而不是隨著電壓上升到高於30v而下降。下降特性減小可用電力，這對於cac-a來說通常不是有益的。
在優選實施例中，cac-a模式還具有約23伏特到約25伏特的cac-a挖掘閾值，這大於典型18.5v焊條焊接挖掘閾值。cac-a挖掘斜率是約24到30安培/伏特，這大於典型8安培/伏特焊條焊接挖掘斜率。此情況改進短路清除，對於長焊接電纜來說特別如此。替代方案允許使用其它cac-a挖掘閾值和其它cac-a挖掘斜率，但優選的是，它們大於焊條焊接值。如本文所使用，cac-a挖掘斜率是在處於cac-a模式中時的挖掘v-a曲線的斜率。如本文所使用，cac-a挖掘閾值是在處於cac-a模式中時的一種閾值，在低於所述閾值時，使用cac-a挖掘v-a曲線。如本文所使用，在表示參數時，「約」表示+/-10％。如本文所使用，焊條焊接挖掘斜率是在處於焊條焊接模式中時的挖掘v-a曲線的斜率。如本文所使用，焊條焊接挖掘閾值是在處於焊條焊接模式中時的一種閾值，在低於所述閾值時，使用焊條焊接挖掘v-a曲線。
在優選實施例中，在cac-a模式中，提供專門用於cac-a的重燃邏輯。專用重燃/啟動在各種cac-a技術(正常、掠過、輕觸)上提供通用性。熱啟動良好地工作以將電弧初始化，但對於掠過來說，較難以控制。優選實施例提供熱啟動與「光」熱啟動的組合以及良好適用於掠過與輕觸兩者的獨特焊接啟動狀態。
優選實施例提出cac-a熱啟動狀態包含約兩倍於焊條焊接熱啟動電流的初始cac-a熱啟動電流。可提供其它cac-a熱啟動電流，包含較接近焊條焊接熱啟動量值的電流。cac-a熱啟動電流優選大於焊條焊接熱啟動電流。如本文所使用，cac-a熱啟動電流是在處於cac-a模式中時的熱啟動電流。如本文所使用，焊條焊接熱啟動電流是在處於焊條焊接模式中時的熱啟動電流。
提供cac-a熱啟動電流持續cac-a熱啟動時間。在其它實施例中，優選cac-a熱啟動時間是約100毫秒，或高達約150毫秒。如果輸出電壓低於cac-a挖掘閾值，那麼延長cac-a熱啟動時間。如本文所使用，cac-a熱啟動時間是在處於cac-a模式中時提供熱啟動電流的時間。替代方案允許不延長cac-a熱啟動時間和/或使用不同cac-a熱啟動時間。
在優選實施例中，cac-a重燃是由cac-a重燃算法處置。如果在中斷的cac-a延遲時間內檢測到電流，那麼算法確定其重燃並過渡到cac-a焊接啟動狀態。如果在cac-a熱啟動延遲時間內檢測到電流(或電弧)，那麼提供cac-a熱啟動(上文所述)。cac-a熱啟動延遲時間是至少150毫秒，並且優選是約200毫秒。在其它實施例中，cac-a熱啟動延遲時間多於或少於200毫秒。所述時間應被選擇成使得焊接型電力供應器在需要時而不是在重燃時提供熱啟動。如本文所使用，cac-a熱啟動延遲時間是在處於cac-a模式中時在電弧中斷之後沒有提供熱啟動電流的延遲時間。
在優選實施例中，在cac-a模式中，提供cac-a啟動狀態。cac-a啟動狀態包含在熱啟動之後或在省去熱啟動時提供cac-a啟動電流。提供cac-a啟動電流持續cac-a啟動電流時間。在優選實施例中，優選實施例具有約1.125倍於設定點的cac-a啟動電流，並且cac-a啟動電流時間是約10毫秒。如果輸出電壓小於cac-a挖掘閾值，那麼提供cac-a啟動電流持續延長的時間，優選直到電壓上升到高於cac-a挖掘閾值為止，或持續固定時間段。替代方案允許使用其它cac-a啟動電流、其它cac-a啟動電流時間、省去延長的時間和/或使用不同閾值。如本文所使用，cac-a啟動電流是在處於cac-a模式中時在熱啟動之後或在省去熱啟動時的輸出電流。如本文所使用，cac-a啟動電流時間是提供cac-a啟動電流的時間。
在優選實施例中，當處於cac-a模式中時，在初始cac-a熱啟動或cac-a啟動狀態之後，輸出電流轉換速率受到限制(相對於焊條焊接轉換速率)。在各種實施例中，轉換速率優選限於約125安培/毫秒或小於200安培/毫秒。替代方案包含提供其它轉換速率，包含cv工藝特有的轉換速率。如本文所使用，cac-a轉換速率是在處於cac-a模式中時輸出電流在正常操作的開始時(在熱啟動之後，等等)增大的速率。如本文所使用，焊條焊接轉換速率是在處於焊條焊接模式中時輸出電流在正常操作的開始時(在熱啟動之後，等等)增大的速率。
替代方案提出可省去或修改上述狀態中的一個或更多個，但cac-a電力仍由焊接型電力供應器提供。如本文所使用，cac-a電力是適用於cac-a的電力。
在優選實施例中，上述cac-a模式是使用焊接型電力供應器的輸出的數字pwm控制來實施的，以在處於cac-a模式中提供用於cac-a的期望輸出。在優選實施例中，焊接型電力供應器100(圖1)包含電力電路102、控制器104和模式選擇器105。電力電路104的輸出是焊接或cac-a電弧106。電力供應器100可以是多工藝焊接型電力供應器，但本發明將參照cac-a操作模式來解釋。如本文所使用，控制器是合作以控制焊接型電力供應器的數字或模擬電路、軟體和部件。它們可處於一個位置中，或可在若干位置上分布。
控制器104優選是數字脈衝寬度控制器，例如，第8455794號專利中所述的數字脈衝寬度控制器。控制器104還可以是例如us-2014-0021180-a1中所述的控制器。替代方案提供模擬控制器、具有離散元件的數字控制器、使用dsp的控制器以及使用其它電路的控制器。
電力電路102優選是us-2014-0021180-a1所示的電力電路，其中所述電力電路包含預調節器、高電壓分割式總線以及作為輸出轉換器的堆疊式全橋逆變器輸出電路。電力電路102還可以使用第8455794號專利中所示的電力電路來實施。替代方案允許使用不具有預調節器的輸出電路(堆疊式逆變器)、半橋輸出轉換器或其它輸出轉換器(例如，斬波器、降壓器等)以及使用中間級。
控制器104經由線路103而響應於模式選擇器105。如上所述，當模式選擇器105選擇cac-a模式時，控制器105實施使焊接型電力供應器100的輸出特別適用於cac-a的許多軟體模塊(下文所述)。控制器104更詳細地示出在圖2中，並且包含cac-a控制模塊201。如本文所使用，模塊包含合作以執行給定功能的軟體和硬體。如本文所使用，cac-a控制模塊(或cac-a模塊)是使焊接型電力供應器提供專用於cac-a的輸出的控制模塊。在優選實施例中，cac-a控制模塊201是使用軟體而實施的，而在其它實施例中，cac-a控制模塊201是使用離散部件和/或硬體而實施的。
cac-a控制模塊201包含cac-a啟動模塊203、cac-a挖掘模塊211和下降停用模塊210。cac-a啟動模塊203包含增大熱啟動模塊205和焊接啟動模塊207。當選擇cac-a模式時，cac-a啟動模塊203被激活並實施上文針對cac-a啟動所述的方案。下降停用模塊210停用通常為焊條焊接模式提供的下降。並且，cac-a挖掘模塊211提供約25伏特的cac-a挖掘閾值以及約30安培/伏特的cac-a挖掘斜率。當處於正常cac-a操作模式中時(在啟動和/或重燃之後)，cac-a控制模塊201響應於反饋線路111上的反饋而限制輸出電流轉換速率，優選限制到約125安培/毫秒。如本文所使用，cac-a挖掘模塊是在處於cac-a模式中時，使焊接型電力供應器提供低於挖掘閾值的挖掘輸出的控制模塊。如本文所使用，下降停用模塊是用於cac-a中以停用焊接型電力供應器的下降特徵的控制模塊。
cac-a控制模塊201使用cac-a啟動模塊203以實施上文的啟動和重燃方案。cac-a增大熱啟動模塊205在中斷之後使用反饋線路107、108和/或111而監視輸出。如果電流不流動(或沒有檢測到電弧)持續約200毫秒的熱啟動延遲時間，那麼進入熱啟動模式，並且cac-a熱啟動模塊205使約兩倍於焊條焊接熱啟動電流的熱啟動電流被提供。cac-a熱啟動模塊205使cac-a熱啟動電流被提供持續cac-a熱啟動時間，優選約100毫秒。如果來自反饋線路107和108的輸出電壓低於cac-a挖掘閾值，那麼cac-a熱啟動時間由cac-a熱啟動模塊延長。在cac-a熱啟動電流結束(例如，100毫秒)之後，cac-a啟動模塊207接管所述過程。並且，如果cac-a熱啟動模塊在200毫秒的cac-a熱啟動延遲時間的情況下檢測到電流流動，那麼cac-a啟動模塊207接管所述過程。如本文所使用，cac-a啟動模塊是在電流流動得以產生並且處於cac-a模式中時使用的控制模塊。
cac-a啟動模塊使輸出電流是cac-a啟動電流(優選比設定點大至少10％並且更優選大了約12.5％)持續cac-a啟動電流時間(優選約10毫秒)。如果反饋線路107和108上的輸出電壓小於cac-a挖掘閾值，那麼cac-a啟動模塊207使cac-a啟動電流被提供持續延長的時間，優選直到電壓上升到高於cac-a挖掘閾值為止。
可對本公開進行仍落入本公開的預期範圍內的許多修改。因此，應清楚，已提供用於在cac-a模式中提供焊接型電力的方法和設備，其中所述方法和設備完全滿足上文所闡述的目標和優點。雖然本公開已描述本公開的具體實施例，但顯然，許多替代、修改和變化對於本領域的技術人員來說是清楚的。因此，本發明希望涵蓋落入所主張的權利要求書的精神和廣泛範圍內的所有這些替代、修改和變化。