本发明涉及电弧焊接技术，且更具体地说涉及适用于管道焊接 (特别是在开放根部接合中的根部通过期间)的电弧焊接的方法和 设备。

短路型电弧焊接是本领域中已知的，象俄亥俄州Cleveland的 Lincoln电气公司销售并在授予Stava的美国专利第5,001,326号的 背景部分中描述的STT焊接机，该专利在此被引作参考文献，以说 明STT焊接机的细节和用于实施本发明的某些特征。本发明采用 了高频开关电源，较好地采用一个逆变器。可使用基于逆变器的各 种焊接机；然而，一种有代表性的焊接机作为逆变焊接机而在在此 引用的Blankenship的美国专利第5,351,175号中得到了描述。

俄亥俄州Cleveland的Lincoln电气公司销售的STT电弧焊接机 已经被用于管道焊接，其中来自行进的焊丝的熔化金属淀积到相邻 管道段的两个并置的端部之间的开放根部接合部中的焊接熔池中。 该开放根部接合部沿着圆形的路径在管道的周围延伸，该路径可能 会由于轴向偏离而有所变化。管道段之间的接合部是通过使彼此相 距且大体平行地终止的壁会聚而形成的，以限定一个分离间隙，该 间隙被称为开放根部。管道段或板的端部之间的隙不是一个固定的 距离，因而焊接机在开放根部周围行进时会遇到具有各种间隔的间 隙。如在Stava的美国专利第5,001,326中所描述的，该STT焊接 机带有一个触头保持件，而行进的焊丝通过它，从而使焊接电流能 够直接通过该保持件而到达行进的焊丝并随后进入形成在管道段的 端部之间的焊接熔池中。该熔池桥接该隙，以形成管道焊接操作的 根道。该STT焊接机采用了高频开关电源，以产生分明的短路电流 波形。这种频率涉及到电源的操作频率而不涉及焊接过程的频率。 在焊接领域中的电极的伸出或延伸是触头保持件与焊接熔池之间的 距离。当相邻的管道段形成的板的端部之间的间隙变化时，管道焊 接操作中的电弧焊接的第一次通过形成的熔池改变形状。这种改变 产生了管道焊接过程中的已知的问题。

如在Stava的美国专利第5,001,326号中描述的，作为STT电 弧焊接机的高频开关电源的目的，是在焊丝向着熔化的熔池行进 时，保持电极的端部上的熔化金属球的均匀的体积。该专利公布了 STT的控制系统如何能够被用来检测和测量形成电极端部上的熔 化金属球的实际瓦数。这种瓦数被设定为一个范围，并被从一个焊 接周期保持到下一个周期。当电极的伸出改变时，焊接电流得到调 节，以根据在焊接操作开始时获得的预置的基准瓦数来保持一个恒 定的瓦数。以此方式，在各个焊接周期中产生电流尺寸恒定的球。 当采用STT电弧焊接机时，如果焊接电流输入端发生改变以补偿电 极伸出的改变，则短路频率将改变。这种改变的频率不是电源的开 关频率，而是焊接短路频率。当电极伸出减小时，在行进的球中的 熔化金属的体积减小，且弧长度略微减小。熔化金属球的尺寸的这 种减小造成了焊接操作中短路电路之间的时间的减小。这增大了短 路频率，如由单位时间的短路次数所确定的。相反，如果电极延伸 或伸出增加，电极的热量增加。如果没有电流调节，在行进的焊丝 端部上的熔化金属的体积增大。这略微增大了弧长度，从而增大了 短路电路之间的时间，而减小了焊接机的短路频率。这种管道焊接 STT使用中的频率改变还没有被作为测量参数。

该STT被用于管道焊接，以允许手动穿过控制和使热量进入熔 池；然而，它没有解决把第一个道置入一个开放根部接合部时间 隙的宽度变化所面对的问题。Stava的美国专利第5,001,326没有 教导在STT焊接机的使用中测量伸出以保持给定的球尺寸的方 法。在电极或焊丝被短路时，短路的电极上的电压降得到测量和记 录。焊接电流的值在此测量期间是基本固定的。因此，检测或测量 的电压与焊丝的伸出成正比。这种测量的伸出电压在几个周期上得 到平均，并随后被存储在诸如电容器的存储器中。在Stava专利 中，该存储值在随后的焊接周期中被乘以电流峰值。这种相乘的结 果是各个焊接周期期间的瓦数的一种量度。计算出的瓦数被存储在 诸如电容器的存储器中，并被称为“基准瓦数”。这种基准瓦数是 在焊接开始时根据一种得到调节的伸出而获得的。随后，该基准瓦 数被用来与即时瓦数进行比较。一个控制软件程序把该即时瓦数保 持在基准瓦数。这种总体控制方案，如在Stava的美国专利第5, 001,326号中所示，被用来在焊丝在短路条件期间向着熔池行进时 保持焊丝端部上的熔化金属的固定体积，而不论伸出的改变如何。 没有教导在焊接过程中改变伸出以控制焊接过程。没有教导改变单 个的通过期间产生的热量。行进的焊丝的伸出被用来在焊接周期的 焊丝熔化部分中保持恒定的瓦数。

把诸如STT电弧焊接机的高频开关电源用于管道焊接是众所周 知的。然而，当在第一次通过期间把根道置于管道段之间的开放根 部接合部中时，电源不能自动地补偿管道段之间的间隙的改变。当 间隙宽时，熔池落入间隙。当间隙窄时，熔池不穿过间隙。因此， 需要用手动来应付所产生的变化。需要在管道焊接或其他重板焊接 中遇到的开放根部接合部中控制初始道的焊接操作。

Lincoln电气公司销售的STT焊接机是一种短路弧焊接机，它是 在高频开关网络上工作的，以产生如Stava的美国专利第5,001, 326号中的图4所示的电流曲线。这种焊接机在商业上是成功的； 然而，它不具有相同的恒定电压焊接机的能力，其中焊接熔池的温 度能够只由电极的伸出的改变来控制。这是对焊接机产生STT电流 曲线的一种限制。因此，管道焊接中重要的熔池温度，当通过干涉 或预置焊接电流而使用STT焊接机时，得到了调节。即使有这种限 制，该STT焊接机也比产生过度的熔池热量的恒定电压焊接机优 越。

本发明涉及在诸如管道焊接的板焊接过程的开放根部接合部中 设置第一道的设备和方法。这种方法和设备采用了高频开关电源， 较好地是来自林肯电气公司的STT焊接机。本发明将结合这种类型 的电弧焊接机和管道焊接中的根道的采用而得到描述；然而，本发 明是范围比这要宽得多，并可被用于被用在诸如重板端部和管道段 端部之间的第一次通过的开放根部通过的其他电弧焊接机。本发明 还可被用于开放根部接合部中随后的通过。

根据本发明，该电弧焊接机自动补偿间隙的改变。这种调节不 保持恒定的瓦数，如在在此引用的Stava专利中所公布的。该专利 公布了一种作为STT焊接机而销售的高频焊接机，和对在焊接过程 中测量焊丝的伸出的教导。在焊接过程中测量伸出的能力，没有被 用在商业STT上，但被用在本发明的最佳实施例中。当在管道焊接 过程中设置初始根道时经历的间隙变化，可由即时伸出来确定。当 焊接具有变化的宽度的间隙的开放根部接合部时，熔化的金属熔池 在间隙宽时下凹通过间隙。这种物理现象导致了焊丝伸出的增大。 这种伸出能够被Stava专利中显示的电路检测。当然，几个电路可 采用不同的高频电源来测量即时伸出。如果该间隙太窄，初始根道 不穿过到间隙中。伸出减小。当采用短路过程时，这种减小的伸出 被诸如Stava中显示的电路所检测。因此，本发明是测量即时伸出 以确定焊接过程中的板之间的间隙的构思。伸出测量确定了熔池加 热所需的改变。因此，焊接电流在间隙窄时增大，并在间隙宽时减 小。

通过采用伸出测量，本发明能够被用于控制焊接接合中的焊 接。如果采用逆变焊接，其中焊丝在沿着间隙的焊接过程中跨过间 隙作横向移动，电极伸出在焊丝接近形成接合部的发散壁时变化。 因此，伸出的测量，在电极在开放根部焊接过程中横向移动时，提 供了有关焊接头的位置的信息。本发明的一种更广的限定是在焊接 过程中采用受到测量的伸出，以控制焊接过程的控制参数。受到控 制的参数是焊接电流或焊接头方向等。

本发明特别适用于管道焊接，其中伸出的测量提供了有关根开 放的间隙中的改变和/或电极相对于根接合的中心线的位置的信 息。当根开放增大时，焊接熔池倾向于通过间隙而下落到管道之 内。本发明通过检测电极伸出的增大而检测这种情况的开始。本增 大的伸出被用来通过减小焊接电流而减小焊接熔池的热量。这是通 过减小背景或峰电流或两种电流而实现的。因此，焊接熔池温度被 降低。这造成了道中的熔化金属的固化，以防止金属下落通过间 隙。当根间隙减小时，检测到的电极伸出由于熔化金属不通过间隙 而也减小。熔化熔池累积在间隙顶部上。因此，当检测到伸出的减 小时，电流被增大以减小接合部中的熔化金属熔池中的热量。较热 的熔池穿入窄的间隙，造成沿着间隙的总深度的板端部的适当熔 合。

根据本发明的另一个方面，在设置了根通过之后，伸出的测量 可被用于接缝跟踪。检测到的伸出信息被用于前后移动焊头。焊头 的出板位置可作为电极伸出的减小而得到检测。当焊头移到接合部 的外部时，伸出小。当电极移过接合部时，电极伸出的长度将变 化，且最短处在接合部之外。当电极到达接合部的一侧时，它反向 移向另一侧。电极的伸出将先增大且随后减小。通过表明何时电极 或焊头的横向移动应该被停止或倒转，对伸出信息的使用控制了焊 头装置。这种作用在焊接操作期间产生了焊头的蛇行图案并能够进 行接合部跟踪。

通过利用伸出信息，本发明的电弧焊接机自动检测了间隙的改 变—这种改变会造成不利的道形状。另外，电极相对于接合部的倾 斜或发散侧的沿着横向方向的板外位置得到探测，以在适当位置进 行反向。这两种分离的函数可通过测量伸出而预测。伸出测量可借 助由所进行的焊接过程确定的电路来实现。在Stava的美国专利第 5,001,326号中所示的短路处理中，公布了一种适当的电路，用 于测量电极保持件与焊接熔池的熔化金属之间的伸出。

本发明被用于半自动或自动焊接操作。焊接功率或热量可通过 采用本发明而得到改变。通过在焊头沿着一个接合部行进期间改变 电极伸出，可在接合部中的选定位置改变加热。例如，在借助机器 人焊接机焊接一个接合部时，如果部件的几何尺寸使得在一定一个 部位需要更多或更少的热量，电极延伸得到改变以调节焊接操作的 加热。本发明的这种使用不一定要求改变焊接机的控制设定。设定 保持不变，但所希望的伸出长度得到改变以进行控制。根据本发明 的另一种用法，伸出被用于一个焊接通过的接缝跟踪，从而使焊接 头的运动受到接合部路径的实际控制。在沿着接合部的一次通过中 被焊头所经过的路径被存储在存储器中。机器人焊接设备随后的焊 接通过重复第一次通过中存储的该路径。因此，焊接机的随后的通 过沿着第一道的存储路径。

本发明的一个首要的方面，是测量开放根部焊接过程中焊接操 作期间的伸出或电极延伸。伸出值，通过控制最大电流、背景电 流、或其他电流，控制了焊接操作的等离子体部分期间的电流。实 际上，在STT焊接周期的等离子体部分中使用的电流的总合，可 根据检测的伸出或电极延伸，而得到控制。在一种STT焊接机中， 伸出测量也借助焊接机的短路频率而得到检测。通过测量STT焊接 过程中的短路频率，表示电极伸出的信号得到产生。因此，本发明 的另一方面是测量短路焊接操作的短路频率和改变弧焊接电流以保 持大体均匀的短路频率。

根据本发明，提供了一种电弧焊接设备，以从行进的焊丝把熔 化金属淀积到两个并置的板之间的一个开放根部中的焊接熔池中。 这些板可以是管道段的端部，这是本发明的较好的使用。接合部限 定了一个焊接路径，并由终止于大体平行相距的壁的会聚的壁形 成，以限定在接合部的根部处的一个间隙。该焊接设备包括了带有 一个焊丝出口的触头保持件。在焊接操作的第一道期间，当焊丝从 该出口移向接合部的根开放部分时，一个开关电源把一个焊接电流 引至焊丝。根据本发明的最佳实施例，开关电源是一个STT焊接 机，它具有如Stava的美国专利第5,001,326号中公布的波形。 行进的焊丝限定了触头保持件与焊接熔池之间的电极伸出。根据本 发明，伸出的长度得到检测，且焊接电流作为检测到的伸出长度的 函数而得到调节。较好地，这种函数是与增大的伸出成反向的关 系，从而导致进入熔池的电流或热量的减小。当采用STT焊接机 时，该电源是一种短路弧焊接机，它具有在短路状态和弧或等离子 体状态之间交替的不同的电流电平。焊接的热量在准确性状态下得 到控制，且伸出在短路状态下利用适当的电路得到测量，在Stava 的美国专利第5,001,326号中显示了该电路中较好的一种。

本发明的广泛的方面是测量伸出或延伸并利用其来控制焊接熔 池中的热量。作为本发明的一种替换应用，伸出被用来控制焊接过 程中的其他参数。

根据本发明的最佳实施例，伸出是即时测量的，并被用于一种 微处理器软件程序中，以从一个查询表、ROM、RAM、PROM数 学计算或其他算法中选择一个所希望的电流波形。该查询表、 ROM、RAM、PROM或软件算法的输出随后被用在一个软件误差 放大器中，以比较实际的电流，该电流可以是焊接周期期间的总电 流的积分，以把焊接电流调节至检测到的伸出所表明的所希望的电 平。该电流调节通过改变峰值电流、背景电流等而改变了STT波 形。

根据本发明的再一个方面，提供了一种方法，用于把熔化金属 从行进的焊丝上淀积到在平整的大板产生的两个并置的板或管道段 的端部之间的开放根部接合部处的焊接熔池中。该开放根部沿着一 个焊接路径延伸，并通过通过会聚终止于大体平行的、相距的壁而 形成，以限定一个间隙。该方法涉及通过首先检测焊丝的伸出长度 并随后作为检测到的伸出长度的一个函数来调节焊接电流，而通过 一个高频开关电源而在焊丝向着开放根部中的间隙行进时把焊接电 流引至焊丝。这种方法的一种较好的实施，涉及其中伸出与电流反 向相关的一个函数。当伸出增大时，电流减小。以一种类似的方 式，当伸出减小时，电流增大。这种概念被用于补偿沿着一个开放 根部焊接过程的接合部的不同，诸如管道焊接过程中的第一次通 过。

根据本发明的另一个方面，检测的伸出或电极延伸被用于使携 带焊丝保持件并作蛇行方式的运动的焊头的运动反向。这个概念在 根道已经被设置之后得到采用。当利用本发明的这个方面时，伸出 的长度在携带焊丝的焊头沿着与接合部相交的第一方向运动时得到 检测。当检测到的伸出处于给定的减小的值时，焊丝的横向方向被 反向。这种反向在接合部的相对侧被重复，从而使电极作跨过接合 部的前后运动。本发明的这种特征，在间隙或根开放增大或减小 时，或当接合部的路径不一致时，是特别有利的。利用本发明的这 个方面，焊头跟踪了接合部的实际路径。当焊头的横向运动在固定 位置自动反向时，不会获得这种接合部跟踪，而不论接合部的几何 形状如何。

根据本发明的进一步的一个方面，产生STT电流曲线的短路焊 接机得到修正，从而测量伸出并随后调节焊接电流，以改变熔池温 度，这是一个重要的改变，因而低热量STT焊接机能够通过只改 变焊丝伸出而调节熔池温度来操作类似的恒定电压弧焊接机。

根据本发明的再一个方面，用在该焊接设备和方法中的焊丝是 一种管状电极。因此，在管道焊接操作期间不需要屏蔽气体。这在 通常进行管道焊接的遥远的地区是有利的。

本发明的主要目的，是提供用于通过检测电极的伸出并调节电 流以改变焊接熔池中的热量而控制在开放根焊接过程中至一个熔池 的热量的方法和设备。这种目的解决了由于接合部的开放根部处的 间隙的变化而产生的问题。

本发明的再一个目的，是提供一种如上限定的设备和方法，该 设备和方法补偿当焊接第一个根通过时开放根部接合部的间隙的改 变，特别在管道焊接操作中。

本发明的再一个目的，是提供一种如上限定的设备和方法，该 设备和方法使携带电极的焊头能够跟踪两个板端部或管道段之间的 开放根部接合部，而不论接合部的轮廓或路径如何。

本发明的另一个目的，是提供一种如上限定的设备和方法，该 设备和方法能够方便地得到实施，以补偿开放根部焊接中的不同的 情况和不同的间隙，以及在第一根部通过之后的一定的焊接通过。

本发明的又一个目的，是提供一种如上限定的设备和方法，该 设备和方法可具体地应用于一种高频开关电源，且特别是带有STT 焊接机的脉冲波形的一种电源。

本发明的进一步的一个目的，是提供一种如上限定的设备和方 法，其中短路弧焊接机能够通过只改变焊丝伸出而改变熔池温度。

本发明的再一个目的，是提供一种如上限定的设备和方法，该 设备和方法被用于如在Stava的美国专利第5,001,326号中公布的 短路焊接过程。

从以下结合附图进行的描述，这些和其他的目的和优点将变得 显而易见。

图1是用于实施本发明的电源的电路图，它与Stava的美国专利 第5,001,326号中公布的电源类似；

图1A是本发明的最佳实施例的框图，其中高频开关电源是一个 逆变器，如在Blankenship的美国专利第5,351,175号中公布的。

图1B是可用于本发明的最佳实施例中的管状电极的示意图；

图2是用于产生在焊丝伸出随着启动调节而改变时用来调节熔 池的热量的信号的软件程序或电路的电路图；

图3是在本发明的最佳实施例中用于产生表示实际电极延伸或 焊丝伸出的电压信号的电路或软件程序的电路图；

图4是用于把图3的信号转换成表示伸出电阻的电压信号的电路 或软件程序的电路图；

图4A是图4所示的图的修正的电路图；

图5是一系列曲线图，显示了图3和4中显示的电路或程序的操 作；

图6是当采用STT电弧焊接机的短路过程时图1和1A所示的直 流电源的单个周期的电压和电流曲线的曲线图；

图7是图表，显示了图3中的电路为不同的焊丝伸出长度而产生 的电压信号的不同；

图8是框图，显示了在实施本发明的最佳实施例的一个微处理 器中采用的软件程序；

图9是显示本发明的最佳实施例的一个修正中采用的软件程序 的框图；

图10是显示本发明的一个进一步的修正的框图；

图11是显示采用图4中的用于控制焊接机的电路产生的信号的 电路和软件程序的框图；

图12是框图，显示了图11所示的利用图4的电路和/或程序所产 生的信号之外的参数的控制电路和软件程序；

图13A和13B示意显示了利用本发明的焊接操作，其中接合部中 的间隙比较窄；

图14A和14B示意显示了利用本发明的焊接操作，其中接合部中 的间隙比较宽；

图15是示意图，显示了本发明的最佳实施例的第二个方面，其 中图3所示的电路或程序产生的信号或来自图4所示的电路或程序 的信号被用于控制当在图13和14中显示的接合部中设置随后的道时 焊头的横向运动；

图16是结合的电路图和框图，显示了用于实施如图15所示的本 发明的方面的电路和/或软件程序；

图17是将要借助现有技术的焊头控制机制进行焊接的开放根部 接合部的剖视图；

图18是一系列如图17所示的视图，显示了现有技术中的问题；

图19是具有曲线路径P的开放根部接合部的部分顶视图；

图20是具有图示插入部分的曲线图，显示了在伸出改变时由图 3所示的电路或程序产生的信号的改变；

图21是具有图示插入的曲线图，显示了当采用图15所示的概念 时在图16所示的电路图的顶部中的本发明的操作；

图22是与利用了图16中显示的电路图的完全的实施的图21的曲 线图类似的曲线图；

图23是一个电路的电路图，该电路用于处理利用不同于图3所 示的方案表示伸出的信号的电路。

参见附图，其中的显示只是为了说明本发明的最佳实施例，而 不是为了限定本发明。图1显示了高频直流开关电源PS，它用于把 焊接电流经焊丝10送到工件12，而该焊丝受到一个电连接器或保持 件14的支撑。一个适当的焊丝送进器16以通过由操作者或编程者调 节的电源设定所确定的速率，从一个供应筒18拉出焊丝。保持件14 连接到直流电源PS的终端22，以接收终止20与相对极性的终端22之 间接收直流脉冲。该直流电流脉冲的形状由具有带有用于调节焊接 周期的电流的输出端32d的电流控制器32的适当的波形电路30来确 定。这种电流调节能够涉及最大电流、峰值电流、背景电流等的改 变。波形电路30在高频开关电源的控制中是众所周知的。在线路34 上的一个输出电压信号在焊接周期中变化，以控制电极或焊丝10与 工件12之间的电流的形状。本发明被用于两个板之间的接合部中， 因此，工件12是两个相距的板之间的熔化金属熔池。在实际中，这 些板是具有开放根部接合部的管道段，因而熔池或道限定了工件12 的上限。保持件14与熔池或工件12之间的距离，是焊接过程的焊丝 伸出。这种伸出或电极延伸，当采用诸如在该最佳实施例中采用的 短路焊接过程时，可借助在Stava的美国专利第5,001,326号中 公布的测量电路来测量。其他已知的电路能够测量焊丝伸出或电极 延伸，特别是当其他类型的焊接周期得到采用时。伸出测量机制在 图2、5、6和7中得到显示。当然，即使对STT焊接机，也可采用其 他的测量技术，诸如图23中显示的短路频率测量装置。由于Stava 的美国专利第5,001,326号集中于下斩波器高频电源，这种电源 在图1中得到显示，以说明本发明。其他的高频开关电源被用于产 生焊丝10和两个板之间的接合部中的熔化金属熔池之间的焊接电 流。电源PS是以高于约18kHz且较好地是20-40kHz的频率循环的 开关装置。脉宽调制器40标准的，用于产生诸如下斩波器和逆变 器的转换器中的可变宽度电流脉冲。控制线路42用具有由驱动振荡 器44控制的速率的短路电流脉冲，来形成输出电流脉冲的形状。因 此，线路42上的电压表示了被允许以诸如高于18kHz的高速率通过 开关50的快速电流脉冲的宽度。以此方式，通过焊丝10的焊接电流 受到输出线34上的来自波形电路30的电压的控制，该电路在Stava 的美国专利第5,001,326号中得到显示并在此被作为参考。线路 42上的脉宽控制电压是在受到电阻62的适当偏置的误差放大器60的 输出端处的直流电压电平。一个超越或并行电路70用于借助线路42 上的电压把线路34保持在零电压。误差放大器60的输入是电路30的 输出端处的电压，它受到在STT焊接机中使用的并在Stava的美国专 利第5,001,326号中大体显示的多个开关的控制。波形的控制不 构成本发明的一部分。来自误差放大器60的电流控制了线路42加到 脉宽调制器40上的电压，以控制振荡器44产生的电流脉冲的幅度。 脉宽调制器打开和关闭设定的FET开关50，以产生如图6的上曲线 所示的电流波形。纵向的线表示了构成STT波形的快速电流脉冲。 STT焊接机利用了响应于线路72上的一个信号的即将来到的熔合 而操作的溅射控制电路70。这种熔合信号是由一个dv/dt预告电路73 产生的，因而在输出线路76上的逻辑将在短路或给定焊接周期的夹 断脉冲期间刚好产生熔合之前，使电源开关80不导通。开关80的操 作，使通过小电感82的焊接电流从通过开关80的较高的电流，改变 到通过一个缓冲器电路84的较低的电流。当一个焊接周期的短路状 态正在持续时，测量到的dv/dt超过了一个设定值，表明一种即将 到来的熔合。线路72上的逻辑立即移动。因此，来自开关80的焊接 电流移向一个低电平，以减小熔合爆炸所释放的能量。这种概念不 构成本发明的改进的一部分，但是本发明的最佳实施例中采用的 STT焊接机的一部分。

本发明检测伸出的长度或电极延伸并控制电流电路32要么 (a)控制一个根道期间焊接过程产生的热量，要么(b)检测焊 丝10在填充板之间的接合部期间在并置的板的相距的壁之间横向 移动时焊丝10的位置。本发明的第一个方面主要应用于设置管道焊 接中的根道。本发明的第二个方面主要应用在随后填充接合部的通 过，其中焊丝以蛇行的方式运动。该STT原来是为了采用如图1所 示的下斩波电源而设计的；然而，现在该STT采用了在高18kHz工 作的、如图1A所示的逆变器100。在Blankenship的美国专利第5, 351,175号中公布了用于电弧焊接的一种代表性的逆变器结构。这 两种电源都采用了一种波形控制器30，并包括了用于调节各种电流 电平的设置，如电流控制器32所表示的，以提供图6所示的波形。 逆变器100具有适当的输入电源，它可以是马达发生器，但被显示 为一种三相线路电压102。这种线路电压首先被整流成逆变器100以 高速进行开关的直流联结，以产生一种电流波形，它在最佳实施例 中是如图6中所示的STT短路波。作为本发明的一种附加，焊丝10 是一种管状电极B，如图1B所示意显示的。这种电极具有外包层 110和空心的芯112—其中填充有钎剂系统和/或分配颗粒的配料。 通过把管状电极用于遥远地区的管道焊接，消除了对屏蔽气体的需 要。这在世界的某些遥远地区是有利的。

本发明涉及以下概念：(a)测量伸出或电极延伸a，以及 (b)利用这种测量来控制管道焊接操作的根通过中的热量。这种 根是在板的边缘之间的。如后面所要描述的，伸出a的测量也可应 用于当用熔化金属填充侧壁之间的空间时在接合部的发散的侧壁之 间前后移动焊头。图2显示了与Stava的美国专利第5,001,326号 的图2中类似的电路，它是软件程序或硬件电路，用于测量伸出和 用于使焊接机能够根据操作者在一个5.0秒启动中进行的伸出读出 来调节或校准自身。为了实现这个目的，伸出测量电路120被用来 产生线路122中的一个电压，该电压表示了直流焊接周期期间的的 伸出a。最佳实施例中采用的指针是图6中的电压和电流曲线所示 的STT周期。这些曲线是由一个STT焊接机利用图1A中显示的逆变 器产生的。弧电压Va在输入端124得到监测，并被用于通过软件开 关128在时刻T22的击穿点电流刚好之后的短时间中的操作，经电阻 126对电容器130进行充电，如图5和6所示。实际中，击穿点之后的 延迟约100微秒。开关128在焊接周期的短路状态期间在时刻T3和 T44之间关闭。开关128关闭少于500微秒的时间并较好地大约300微 秒。在关闭该开关时，电容器130被充电，以在线122上产生一个电 压。该电压代表了短路电压尖峰或限幅的运行平均。这些电压尖峰 在焊丝10与熔化金属熔池12发生短路时出现。因此，电容器130上 的电压与伸出成比例，因为该电压是在电流具有相同的周期-周期 幅度时被测量的。因此，电压VSO代表了伸出a。当然，如果采用了 其他的焊接周期，伸出电压可由具体用于具体类型的焊接操作的各 种电路来测量。图1中的电流控制电路32可直接响应于线122上的电 压；然而，在该线上的电压不仅受到伸出长度的控制，而且还受到 其他参数的控制，诸如焊丝的直径、焊丝的组份、焊丝的电阻和屏 蔽气体等等。因此，本申请中的伸出是一个长度。然而，被监测和 用在本发明中的“伸出”可以是其他控制参数。对于使用一定的焊 丝的焊接机，线122上的电压，可以具有与伸出长度相同但在另一 焊接操作中的电压不同的值。伸出对多种变量是敏感的，并在此描 述中被用作测量表示代表性的伸出的电压和在具体的焊接操作期间 的长度组分的变量的一般概念。考虑到这些必要的变量，有时采用 如图2所示的电路。这种电路不仅读取线122上的电压—它一般地是 长度敏感的，而且还读出线132上等离子体助力期间的电流Iaa的实 际的弧。因此，这些变量被表示成控制信号。线122和132上的这些 电压被引到乘法电路134的输入端，在实际中该电路134是一个软件 乘法器，它具有一个输出136，该输出是平均的伸出电压与在焊接 周期中的选定时刻测量到的弧电流的结合。因此，线136上的电压 是延伸瓦数并考虑了焊接过程的变量。图2所示的电路被用于控制 电力升高脉冲期间的峰电流IMM。为了告诉控制器32在指定的焊接 过程期间使用的所希望的焊接电流，采用了一种启动电路140，其 中软件开关142在焊接周期开始时的预定时间中被关闭，通常是诸 如5.0秒的时间。线136上的延伸瓦数电压在焊接周期的初始启动期 间通过电阻144对电容器150进行充电，以告诉电流控制器32整个过 程中的所希望的伸出。电路140还包括软件开关146，该开关在等离 子体升高脉冲T6-T7期间关闭。通过使用电路140，电容器150被充 电至表示在焊接过程的开始时受到调节的伸出的等离子体升高瓦 数。取样和保持电路142保持引向误差放大器160的输入端的输出 线154上的电容器150上的电压。误差放大器160产生线160a上的与 线154上的基准瓦数和线136上的实际瓦数成比例的误差信号。借 助开关162，这种误差信号只在等离子体升高脉冲期间被用于控制 峰电流IM。在启动期间，开关162被打开。随后，当开关162在等 离子体升高脉冲期间被闭合时，线160a上的信号是控制器32的输 入32a。线162上的信号被引向输入端32a，从而使线136上的电压的 变化将调节电路32中的电流，从而在时间T6-T7期间改变焊丝10和 熔池12之间的电流。在其他时刻，控制器32跟随图6的STT曲线的 设定。通过采用电路140，控制器32在焊接操作的开始时得到调 节，以得到较好的伸出。随后，伸出得到监测，以调节焊接电流， 或是总积分电流，或是最大电流、或是峰电流，或是背景电流，具 体按照需要。

根据本发明，线122上的电压表示了给定的焊接过程中的伸出 a。这种电压在本发明中被用于根据伸出电压VSO的幅度来把焊接电 流移到所希望的电平。表示这种概念的基本电路被显示在图3中， 它是图2的输入部分，它产生线122上的电压，用于输入到图1所示 的线32a上的控制电路32。测量到的伸出被用于控制焊接电流，或 至少焊接电流的部分，以在开放根部焊接过程的根通过期间调节焊 接熔池中的热量。如上所述，线122上的电压不构成所实施的具体 焊接过程中的变量。因此，根据本发明的一个方面，线122上的电 压与弧电流相结合。这在图2中得到显示。实际中，用于结合这些 值的电路在图4中得到显示。分压电路180是一个软件电路，但可以 是硬件电路。这种电路借助弧电流分压伸出电压。如图5所示，这 种弧电流是当电压被测量时出现的即时弧电流。因此，线182上的 电压表示了被STT波的时刻T3和T4之间的短路电流所分压的伸出电 压。线182上的电压是伸出电阻，该参数对于焊接过程控制来说更 为准确。伸出电阻RSO以与伸出电压VSO相同的方式被控制电路32所 使用。在两种情况下，线122上的信号或线182上的信号都表示了伸 出a。在整个本描述中，伸出的意思是伸出电压或伸出电阻。这些 术语在本发明的实施被可互换地使用。控制电路32具有用于伸出电 压的一个第一输入端32a和用于伸出电阻的第二输入端32b。为了 保证线32b(RSO)上的电压使用与测量伸出电压所使用的电流相 同的电流，开关128被用于对电容器184进行充电，如图4所示。引 入电路180的电压和电流是直接在短路状态下的击穿点之后的小于 500微秒和较好地是约300微秒的相同的短时间中测量到的电压和电 流。图4A中显示了图4所示的电路的一种修正，其中在时刻T11-T8 期间的燃弧状态下，分压级180a借助弧电流Ia对弧电压Va进行分压 并被读出。这给出了伸出电阻，如在线182a上的电容器184a上的电 压一样。

伸出电压的测量取决于所进行的焊接过程和用于获得代表伸出 的信号的可用参数，不论是电压VSO还是电阻RSO。由于本发明的最 佳实施例采用电流STT弧焊接机，在最佳实施例中采用了Stava的美 国专利第5,001,326号的伸出测量电路。该电路是已知的并在图5- 7中得到显示。用于该STT焊接机的电流和电压在图6中得到显示， 其中一个焊接周期在时刻T0和T9之间延伸。在时刻T9，焊接周期 得到重复。在时刻T0，电压Va移到一个低值，表明行进的焊丝的端 部上的熔化金属球与已经淀积在焊接接合部上的熔化金属熔池12之 间的一种短路。直到时刻T1，该电流都被保持在低。随后，该电流 如夹断脉冲200所示地得到控制，产生一个电压脉冲202。在时刻T2 出现的击穿点204，该电流在该夹断脉冲的其余部分移向一个较低 的受控斜率。在击穿点204的电流是一个固定值。开关128在时刻T3 与T4之间闭合。时刻T3从时刻T2延迟了约100微秒。这提供了一个 比较窄并在击穿点204附近产生的电压脉冲210。因此，焊接电流当 电压脉冲210被产生时总是处于相同的电平。当预监测电路74表示 了即将出现熔合时，夹断脉冲200在时刻T5移向背景电流电平。在 图1所示的波形电路30产生等离子体升高脉冲212时，该电流电平被 保持到时刻T6。这种脉冲具有一个最大电流和在部分214的末尾电 流。纵向的线代表了来自开关50的高速脉冲。等离子体升高脉冲 212的该末尾在时刻T88终止。随后，背景电流得到保持，以保持液 化的球上的熔化金属，直到在时刻T9发生短路。这与开始在时刻T0 处的周期的短路状态相同。下一个焊接周期因而在时刻T9开始。该 焊接操作中产生的热量通过积分时刻T6与T9之间的电流曲线而确 定。该热量可通过改变升高脉冲212的峰或最大电流或时刻T8和T9 之间的背景电流电平而得到控制。通过调节最大电流IM或背景电流 IBB，熔池12中的热量得到改变，以调节熔化金属的粘性。夹断脉 冲200和202以及电压尖峰或切片210在图5中得到示意显示。通过累 积这些尖峰，伸出电压VSO得到产生，以用于本发明。如上所述， 伸出电压VSO被弧电流Ia所分压，以产生伸出电阻RSO。该伸出电阻 在图5的底部的曲线图中被显示为脉冲220。脉冲220得到累积，以 给出用于本发明的伸出电阻。伸出电压和伸出电阻都表示了焊接过 程期间的伸出长度。它们在本发明中被用于控制熔池中的热量，特 别是在焊接过程的根通过期间。这些相同的值被用于在填充两个相 邻板之间的接合部期间控制焊头的振荡。假定电流在时刻T3与T4之 间的恒定的—这通常是实际的情况，在图7的例子I、II和III中，电 压尖峰210a、210b和210c表示了可变的伸出长度m、n和O。图7的 图表中显示的相应的电压尖峰被用作伸出参数。

根据本发明，线122上的伸出电压VSO被引向电流控制电路32 的输入端32a。这种电路在图8中得到示意显示。线32a上的伸出电 压被引向一个查询表、ROM、PROM或其他存储器件250的输入 端，该器件输出与输入的伸出电压相关的一个所希望的电流252。 输出254是表示基于测量的伸出电压VSO的所希望的电流的一个电 压。在本发明的最佳实施例中，线132上的弧电流被引向线32c上的 电路32。在电路32，该弧电流被一个积分器260在时刻T0和T9之间 进行积分。这给出了焊接机在一个焊接周期中的实际电流。因此， 线264上的电压代表了作为误差放大器270的一个输入的实际电流。 另一输入是线254上的所希望的电流。放大器270的输出272是电路 32的输出32d。线32d上的电压控制着随后的焊接周期期间的实际电 流。因此，当伸出增大时，熔池12中的热量减小。这种反向的关系 被编程到查询表250中。波形电路30利用所希望的电流电平形成了 如图6所示的电流波形，以使实际的积分电流移向所希望的值。电 流调节电路或级272根据编程到级272中的所希望的系统，改变最 大电流IM、背景电流IB或两个电流。在最佳实施例中，背景电流 IB得到调节以保持熔池12中的所希望的热量。

图9-12是本发明的最佳实施例的修正，用于通过由伸出电压VSO 或伸出电阻RSO表示的伸出长度来控制电弧焊接机。这些软件图是 示意显示，并可用各种软件技术实施。图9显示了电流控制电路 30’，其中一种函数发生器280得到采用，而不是编程的查询表 250。这种函数发生器可以是模拟的或数字的器件，且其输入可以 是伸出电压VSO或伸出电阻RSO。该函数发生器的输出是级282的所 希望的电流。该级的电平控制了如具有输出286的块或级284表示的 焊接电流。该输出值被引向弧焊接机的控制器，诸如图1的焊接机 的波形电路30。以类似的方式，图10显示了采用一个编程的查询 表290的控制电路30’’，用于产生控制电流调节级294的级292的 所希望的电流。在输出线296上的信号被引向焊接机的控制器。图 9和10都表明伸出电压或电阻可被用作焊接机的直接控制。没有使 用实际电流反馈。本发明的这些实施例是开环控制，其中电流是由 函数发生器280或查询表290的输出确定的绝对值。在实际上，采用 了图8所示的闭环系统。图8-10所示的系统是在微处理器中用软件 实施的；然而，它们也可用模拟电路实施。

伸出电阻包含更多的信息，并且是表示伸出的更为精确的参 数。因此，图11和12所示的焊接机控制系统采用了伸出电阻RSO作 为伸出的量度。在图11中，电路300具有一个查询表302，其输入 182是实时可变伸出电阻。该表被各种参数所修正，诸如电极组份 和尺寸、屏蔽气体和其他变量。这些变量使查询表302变化以调节 附加的参数。来自编程查询表的所有这些参数的输出在级304是伸 出。根据本发明，来自级304的伸出信号较好地是数字的，并被引 向焊接机W的控制器306。因此，用于该控制器的变量是根据本发 明测量的伸出电阻。图12中的电路310被线182上的伸出电阻值所跟 随。该值被引向一个编程查询表，该表用图11所示的参数作索引， 以产生在级314的一个伸出信号。该信号的幅度被引到焊接机W的 控制器316。处理控制器316还包括诸如电流、电压、时间、电极、 屏蔽气体和焊丝送进速度的输入。所有这些参数都被用于控制由焊 接机W进行的焊接过程。如图11中所示，电路310借助表示焊丝伸 出的一个参数调节电弧焊接机的标准控制器316。在这两个例子 中，该参数是伸出电阻RSO。当然，该参数可以是伸出电压VSO。

本发明利用伸出长度—要么是伸出电压VSO要么是伸出电阻RSO —来控制焊接电流以调节诸如用在管道焊接中的开放根部焊接过程 的熔池中的热量。本发明的优点在图13A、13B、14A和14B中得到 显示，它显示了相距的板P1和P2之间的焊接接合部J。在实际中， 管道段的相邻端部形成接合部J。接合部J包括发散的壁320、322- 它们在大体纵向的壁330、332处终止而限定了一个间隙g，该间隙 是接合部的开放根部。当该接合部被焊接且第一次通过在根部时， 间隙g的幅度的改变严重地影响了自动焊接机对根道的设置。本发 明根据间隙g的尺寸控制熔化熔池或道340中的热量。在图13A和 13B中，间隙g是比较窄的。因此，熔池340不穿入间隙。该问题在 图13A中得到显示。因此，该熔池在间隙之上累积以增大高度。这 种作用减小了保持件14的端部与熔池340的顶部之间的伸出SO。因 此，壁320、322之间的接合是不够的。根据本发明，伸出SO以伸 出电压或伸出电阻的形式得到量度，且查询表、ROM或其他函数 发生器产生了与一种反向关系相应的信号。测量到的伸出越小，焊 接电流越大，反之亦然。通过增大焊接电流，熔池340穿入间隙g并 接合壁330、332之间的板P1和P2，如图13B所示。因此，当间隙小 时，熔池的热量增大以减小金属的粘性，并能够在根通过期间进行 较好的穿入。类似地，如果壁330、332太宽而表示较大的间隙g， 如图14A所示，熔化金属熔池340下落通过间隙而进入管道的内部。 当间隙增大时，伸出增大。根据本发明，伸出与熔池中焊接电流产 生的热量之间有反向关系；因此，焊接电流减小，而产生如图14B 所示的焊接熔池形状。如图13和14所示，本发明保持了所希望的焊 接电流，以在熔池12中产生处适当的热量，以补偿正在焊接的板之 间的间隔的改变。这对于开放根部接合部中的根道是特别有利的焊 接过程。本发明因而补偿了在管道焊接环境下在初始根道设置时的 间隙不同，特别是在采用STT电弧焊接机的情况下获得的采用短 路焊接过程时。当然，本发明可被用于其他的电弧焊接机，因而伸 出得到测量且电流根据测量的伸出而得到反向控制。

虽然本发明特别适用于在接合部J中设置根道，它也可被用于 随后的通过—其中焊接操作填充原来的根通过之上的接合部J。在 根通过期间，焊头装置被保持在间隙g的上方的一个单一位置。在 随后的通过中，焊头在焊头绕板或段P1、P2之间的管道段的接合部 J运动时，使保持件14以蛇行方式作横向的前后移动。这种横向作 用在图15中得到示意显示，其中焊接道400表示一个上熔化金属熔 池402。该焊头如箭头410所示地作前后运动，以把金属置于接合 部J，从而接合板P1和P2，如图15所示。当保持件14前后移动时， 伸出SO在壁320、322的外边缘变小，且向着中心增大。因此，伸出 随着焊接道通过接合部J的运动从低值向高值变化，并变回到低 值。由于本发明允许通过测量伸出来控制焊接机，本发明还被用作 在接合部J焊接期间前后移动焊头的装置的一种改进。

在图17中，显示了现有技术的焊接过程。板P1和P2被假定具有 接合部J，它被精确地定位在一个固定焊接路径中并具有固定的根 间隙。头在点A和B之间前后振荡，如箭头420所示。假定接合部J 保持与适当的路径对准，且间隙保持相同的宽度，则在不用手动干 涉的情况下可实现适当的焊接。这种现有技术概念在图18中也得到 显示。顶部的图描述了一种适当对准的接合部，以产生良好的结 果。当间隙增大时，或者接合部向着所希望的路径的旁边偏离时， 焊头在点A和B之间的运动将不产生良好的焊接。需要通过手动干 涉来跟踪接合部J以实现所希望的焊接接合。这种问题在间隙太宽 或显著偏离时是严重的，如图18的下面的两个图所示的。根据本发 明，当焊头以图15所示的方式前后运动时，伸出或电极延伸得到测 量，且焊头驱动器的操作得到修正，如图16所示。被显示为保持件 14的焊头借助马达M而前后运动。电路440在伸出达到了一个预定 的、被表示为长度X的幅度时，使马达M的横向方向反向。开关 442把表示伸出的电压电平引向比较器450的一个输入端。另一输入 端被调节到代表所希望的伸出长度X的电压。输出452在伸出达到长 度X时改变逻辑。该逻辑信号改变激活了反向开关454以在线456上 给出一个方向反向信号。马达M的方向被反向，以沿着相反的横向 方向移动焊头。该头沿着接合部J移动，以产生一种蛇行方式的运 动。因此，当焊头的方向反向时，电路462复置反向开关454，等候 伸出长度等于X的新的检测。通过闭合开关442，焊头在焊接过程沿 着接合部J进行的同时通过接合部J作前后运动。当然，X能够在焊 接道400通过相继的焊接通过而生长时改变，从而在反向点之间产 生较大的距离。在焊头的前后运动期间，可能希望增大或减小焊头 的不同横向位置处的热量。在接合部J的外边缘处的较大热量是有 帮助的，且在接合部的中心需要较小的热量。为了实现这种目的， 图16中显示的电路包括了两个额外的控制分支。在分支460，开关 462借助一个比较器470把伸出信号与在线464上的一个信号进行比 较。当该伸出电压大于表示为Y的一个电平时，在比较器470的一个 输出端472上出现一个信号。这开始了通过逐渐减小通过增量电流 控制器474的电流以给出一个用于调节焊接过程的电流的信号476而 使输入热量递减的过程。类似地，分支480通过闭合开关482而被激 活，该开关结合线484上的值以控制比较器490，从而当伸出小于Z 时在线492上产生一个输出信号。因此，当焊头向边缘移动时，热 量通过增量电流控制电路492以增大线496中的电流信号而得到增 大。通过采用分支460、480，在根通过借助伸出而得到控制之后， 在通过中产生热量。该伸出在焊头移近边缘时减小。因此，热量增 大。当焊头移向接合部的中心时，热量减小。本发明的该方面控制 了热量，但不被用于控制开放根部焊接操作中的根通过，如图1-14 中所描述的。通过采用方向反向电路440，焊头即使当路径如图19 所示地弯曲时也将跟踪路径P。当焊头沿着路径P移动时，它在达到 接合部J中的具体板外位置时反向。这种反向不是在如图17和18所 示的固定点。因此，本发明即使当没有开放根部时也可被用于接缝 跟踪。板P1、P2之间的发散侧被用于限定反向点。

图20显示了本发明的操作特性。曲线500具有一个直到部分502 都约2.0伏特第一伸出电压。该伸出电压随后移向大约.75伏特。这 种曲线表示了本发明的操作。焊头沿着具有第一高度的焊接熔池 500a运动并随后达到一个区502a-在那里熔池504a具有第二高度， 该第二高度比熔池500a高1/4英寸。当发生了这种熔池高度改变 时，伸出显著减小且伸出电压相应地减小。这种减小的电压被用在 一个根通过通过以在电压减小时增大电流。这种反向关系较好地是 一条直线；然而，它可以是曲线，以获得任何所希望的效果。在图 21中显示了另一个曲线图。曲线510显示了在焊头在接合部J的壁 320、322之间前后运动时的伸出电压。当伸出减小时，它最终到达 值X表示的低伸出。这造成了点512处的反向，直到焊头达到相对的 发散壁。在其间，伸出达到了表示接合部J的中心的一个高电平 514，假定该接合部未基本上被熔化金属所充满。曲线510代表了本 发明的实施例，其中伸出被用于在焊头沿着接合部J的路径P行进时 使其方向反向。本发明被用于在管道焊接过程中在随后的通过中跟 踪和填充接合部J。在图22中显示了一个第三曲线。曲线520在图 16的开关442、462和482被闭合时得到跟随。当焊头通过接合部J而 前后运动时，伸出电压减小，直到方向反向点X。在这些反向点之 间，伸出电压逐渐增大和减小，如图21所示。当伸出电压在点522 达到一个电平Z时，熔池热量开始通过增大焊接电流而递增。焊接 电流的这种增大在区526中发生，直到到达点524。类似地，当焊头 向着接合部J的中心运动时，伸出在点530可达到电平Y。只要伸出 电压在点530上倾向于增大，焊接电流就递减，以减小熔池中的热 量。区334表示了直到伸出在点532减小至电平Y之下的这种作用。 因此，焊接熔池温度控制可在接合部J中的随后的焊接通过期间得 到采用。然而，本发明的基本优点是结合图13和14给出和描述的。

已经发现，STT焊接机中的短路频率(即具有如图6所示的周 期)是伸出的一个函数。通过记录在时刻T00的短而测量短路频 率，该伸出可得到确定并被用于实施本发明。这种概念在图23中得 到显示。线路600上的脉冲是在图6的STT曲线中的各个相继的短 路电路产生的。至电压转换器602的一个频率，根据STT的短路频 率，产生了在线604上的一个电压。该电压表示了伸出长度并是在 本描述中使用的“伸出”。该电压被用于控制焊接电流。在所示的 实施例，实际的频率fa被与在线610上的由电位计612调节的基准频 率电压frr进行比较。误差放大器620产生线622上的一个误差信号， 以控制电流630，从而把该电流调节到电位计612所设定的所希望的 电平。这将如图13和14所示地进行操作。在STT焊接机中采用短 路频率是本发明中采用的测量伸出的另一电路概念。