專利名稱：短弧焊接系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種控制用于短弧焊接的直流電弧焊接裝置中的焊接電流的系統(tǒng)。本 發(fā)明尤其涉及一種控制用于短弧焊接的直流電弧焊接裝置中的焊接電流的系統(tǒng)，其包括 電流調(diào)節(jié)器，其包括在電壓反饋回路中；和斜坡產(chǎn)生器，其被配置來在短路期間提供電流斜 坡。此外，本發(fā)明涉及一種用于控制電源的方法。
背景技術：
本發(fā)明涉及一種控制用于短弧焊接的直流電弧焊接裝置中的焊接電流的系統(tǒng)。短 弧焊接是氣體保護金屬極弧焊接中的金屬轉移模式，其中一滴熔化金屬將在金屬轉移的過 程中與熔化電極分開之前浸入焊接熔池中。
在氣體保護金屬極弧焊接中，熔化電極被持續(xù)饋送向焊接區(qū)。通常來說，用于金屬 弧焊接的系統(tǒng)包括焊接吹管、工件、電源、焊絲饋送單元和保護氣體供應器。用于金屬弧焊 接的系統(tǒng)還包括用于控制電源的焊接電流的系統(tǒng)。提供用于控制焊接電流的系統(tǒng)來為電源 產(chǎn)生參考電流。參考電流控制電源使得焊絲電極的熔化和熔化金屬到工件的轉移可視需要 被控制。焊接電流和電壓被控制以確保以所需金屬轉移模式來執(zhí)行焊接。
在氣體保護金屬極弧焊接(GMAW)中，其包括金屬活性氣體(MAG)焊接和金屬惰性 氣體(MIG)焊接，在工件與熔化焊絲電極之間建立電弧。在饋送焊絲到焊接熔潭時，弧持續(xù) 熔化焊絲?；『腿刍牧贤ㄟ^惰性氣體流或活性氣體混合物而與大氣隔離。MIG和MAG通 常用焊絲陽極在D.C.(直流電)上操作。這已知為“反向”極性?！罢睒O性較不常使用，這 是因為熔化金屬從焊絲電極到工件的較差轉移。在15V到32V的焊接電壓下通常使用50 安培直到大于600安培的焊接電流。通過使用恒定電壓電源和恒定焊絲饋送速度，可以獲 得穩(wěn)定的、自我校正的弧。持續(xù)的發(fā)展已使MIG工藝適用于所有商業(yè)上很重要的金屬的焊 接，諸如鋼、鋁、不銹鋼、銅和其它幾種金屬。
MIG和MAG焊接工藝在用于低生產(chǎn)應用和高生產(chǎn)應用的手動和自動金屬接合中提 供許多優(yōu)點。當與手動金屬弧焊接(MMA)埋弧(SAW)和鎢惰性氣體(TIG)比較時，其組合 優(yōu)點是
I)在所有位置都可焊接。
2)不需要熔渣去除。
3)高焊接金屬沉積率。
4)焊接完成的時間約為敷料電極的1/2。
5)高焊接速度。工件的較不扭曲。
6)聞焊接品質(zhì)。
7)易于填充或橋接的大間隙，使得某些類型的修復焊接更有效。
8)桿電極中無握柄料損失。
在MIG和MAG焊接技術中，在不同金屬轉移模式之間產(chǎn)生扭曲短弧轉移模式、混 合弧(球狀)轉移模式、噴射弧轉移模式和脈沖噴射弧轉移模式。
在短弧轉移模式期間會產(chǎn)生相當大的熔化液滴。熔化液滴將成長為其橋接電極與 焊接熔池之間的間隙的狀態(tài)。電源的短路和弧的消失將立即發(fā)生。收聚效應將由斜坡產(chǎn)生 器控制來完成熔化液滴到焊接熔池的轉移。短弧焊接是在相對低的電壓和焊接電流下執(zhí) 行。
當焊接電流和電壓增大超出短弧焊接所承受的最大值時，發(fā)生混合弧轉移。尺寸 會變化的液滴是由使液滴短路和不導電的混合物組成。這種金屬轉移模式不穩(wěn)定，常伴有 滴落和濃煙。
在噴射弧焊接模式中，小的熔化液滴從電極被隨機轉移。小的熔化液滴不會使弧 短路。在噴射弧焊接中，弧穩(wěn)定且不會產(chǎn)生令人生厭的滴落。
在脈沖噴射弧焊接模式中，通過控制脈沖焊接電流而從電極一個接一個地轉移小 的熔化液滴而不會使弧短路。脈沖弧焊接需要復雜且昂貴的焊接裝置。
短弧焊接是在相對低的電壓和焊接電流下執(zhí)行。焊絲的饋送速度適合焊接電流使 得熔化金屬液滴被轉移到工件且與工件接觸。液滴的尺寸應使得大致避免飛濺。
短弧焊接通常使用直徑在O. 030英寸(O. 76毫米)到O. 045英寸(1.1毫米)范 圍內(nèi)的小焊絲，且在低的弧長度(低電壓)和焊接電流下操作。獲得小的快速凝固的焊接熔 潭。這種焊接技術對于在任何位置接合薄材料、在垂直且仰焊位置接合厚材料，且對于填充 大間隙尤其有用。短弧焊接還應在需要工件的最小化扭曲的情況下使用。金屬僅在焊絲與 焊接熔池接觸或在各自短路時才從焊絲轉移到焊接熔池。焊絲使工件每秒鐘短路20次到 200 次。
圖1示意性地圖示一個完整的理想短弧周期。一滴熔化材料生長在電極的端部。 當液滴接觸焊接熔池(A)時，弧短路，焊接電流開始上升且液滴被轉移。此后弧被重新點 燃。以容許液滴與焊接熔池的接觸發(fā)生在液滴的分開之前的速度來饋送焊絲。在電極與焊 接熔池經(jīng)由液滴接觸期間，弧將通過另一短路(I)而熄滅。此后再次開始周期。在弧周期 期間無金屬被轉移；僅在短路時轉移。在未發(fā)生所謂的開路狀態(tài)的情況下周期才是理想的。
開路狀態(tài)是當電極上不存在弧或短路時的狀態(tài)。與弧狀態(tài)比較，開路狀態(tài)在電極 與工件之間電壓更高。開路狀態(tài)下的高壓實現(xiàn)從短路狀態(tài)到弧狀態(tài)的更快轉變。
短弧焊接過程本質(zhì)上是隨機且難以控制的。焊接過程的短路階段和弧階段的控制 具挑戰(zhàn)性，且開路的發(fā)生給短弧焊接過程的控制增加了復雜性。開路狀態(tài)通常不被期望且 隨機出現(xiàn)。
在電壓反饋回路中，電極與焊接熔池之間的電壓被測量。將測量電壓與參考電壓 作比較。電流調(diào)節(jié)器取決于感應電壓與參考電壓之間的差來調(diào)節(jié)輸出電流，以便減少傳統(tǒng) 方式中的調(diào)節(jié)誤差。適宜地，PI調(diào)節(jié)器可用于這個目的。
在用于控制短弧焊接的先前技術系統(tǒng)中，弧階段通常由與電流上升限制器串聯(lián)連 接的電壓調(diào)節(jié)器來控制電壓。這導致難以控制弧狀態(tài)和短路狀態(tài)，這是由于電壓調(diào)節(jié)器會 影響電流上升限制器且反之亦然。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是進一步改進用于控制短弧焊接裝置中的焊接電流以便進一步穩(wěn) 定短弧焊接過程的系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種控制用于短弧焊接的直流電裝置中的焊接電流的 系統(tǒng)，其利于在短弧焊接的弧階段和短路階段下的精確控制。
這些目的是通過根據(jù)權利要求1的控制用于短弧焊接的弧焊接裝置中的焊接電 流的系統(tǒng)來實現(xiàn)。用于控制焊接電流的系統(tǒng)包括電流調(diào)節(jié)器，所述電流調(diào)節(jié)器包括在從電 源到焊接電極的電壓反饋回路中。電源是恒定電流源，其取決于進入的參考電流而控制焊 接電極與工件之間的電流。在電壓反饋回路中，檢測焊接電壓且將其與電壓參考值比較以 形成到包括在所述電壓反饋回路中的電流調(diào)節(jié)器的輸入。在弧階段期間，電極上的電壓由 電壓反饋回路中的電流調(diào)節(jié)器控制。因此，恒定電流電源在弧階段期間歸因于弧階段期間 參考電流的電壓反饋控制而給予恒定電壓特征。
斜坡產(chǎn)生器被配置以在短路階段期間提供電流斜坡。在所述短路階段期間提供的 電流斜坡被提供來完成熔化液滴到焊接熔池的轉移。這是通過因電流斜坡引起的收聚效應 來執(zhí)行。為了產(chǎn)生穩(wěn)定的焊接狀況，短路階段期間焊接電流的形狀很重要。需要對電流斜 坡的形狀有良好控制來避免飛濺并且實現(xiàn)焊接過程的穩(wěn)定控制。本領域技術人員熟知斜坡 產(chǎn)生器及其功能。因此，本領域技術人員可以傳統(tǒng)方式選擇斜坡產(chǎn)生器的組件來達到電流 斜坡的所需形狀。由斜坡產(chǎn)生器產(chǎn)生的電流斜坡被增加到來自電壓反饋回路中的電流調(diào)節(jié) 器的輸出電流，來形成用于電源的參考電流。
短路階段期間的電流響應很大程度上是造成焊接過程穩(wěn)定性的原因。此處電流響 應意謂電極上的輸出電流的變動取決于(例如)發(fā)生短路時或短路狀態(tài)改變成弧狀態(tài)時發(fā) 生的負載的改變。電流響應取決于控制到電源的參考電流的反饋回路的結構以及取決于由 斜坡產(chǎn)生器提供的斜坡的形狀。
通過分開斜坡產(chǎn)生器和電壓反饋回路中的電流調(diào)節(jié)器并且使其并聯(lián)配置，易于可 對弧狀態(tài)下的弧進行電壓控制和在短路狀態(tài)中進行電流控制。電壓反饋回路中的電流調(diào)節(jié) 器控制參考電流以便減少輸出電壓與參考電壓之間的調(diào)節(jié)誤差。電流調(diào)節(jié)器是PI調(diào)節(jié)器， 其使得能夠控制平均電壓。由于電流調(diào)節(jié)器中的集成使得來自電流調(diào)節(jié)器的響應很慢，所 以短路階段期間輸出電壓的任何改變將不會造成來自電流調(diào)節(jié)器的輸出電流的立即校正。 因此，電源在短路階段期間將是電流受控制且在弧階段期間是電壓受控制，且因此在弧階 段期間用作為恒定電壓電源且在弧階段期間用作為恒定電流電源。電流受控制意謂電源的 輸出電流受控制。電壓受控制意謂電源的輸出電壓受控制。到電源的參考電流是來自所述 電流調(diào)節(jié)器的輸出電流和由所述電流調(diào)節(jié)器提供的電流斜坡之和。通過并聯(lián)配置斜坡產(chǎn)生 器和電流調(diào)節(jié)器，利于精確控制參考電流，這是因為減少了電壓反饋回路中的電流調(diào)節(jié)器 的影響。
電壓反饋回路可包括減法節(jié)點，在所述減法節(jié)點因測量的弧電壓與參考電壓之間 的差而產(chǎn)生反饋誤差。
電壓反饋回路可包括開路檢測器，所述開路檢測器被配置來檢測開路狀態(tài)的存在 并且在檢測到開路狀態(tài)時抑制誤差信號。
在短路焊接中，可能隨機出現(xiàn)開路狀態(tài)。在開路狀態(tài)期間存在過程的中斷使得電 極上不會發(fā)生弧或短路。在開路狀態(tài)下，電極與工件之間存在開路電壓。開路電壓是電源 的內(nèi)在特征。在短路階段期間或在弧階段期間，開路電壓通常大大高于工作電壓。在短弧 焊接期間，當平均電壓和焊絲饋送速度很慢時，開路狀態(tài)發(fā)生在短弧范圍的較低范圍下。在先前技術系統(tǒng)中，短弧焊接中的電源由來自電源的反饋回路中的電壓調(diào)節(jié)器來控制，所述 調(diào)節(jié)器在短路階段和弧階段期間使用平均電壓作為控制參數(shù)。開路回路狀態(tài)增大了平均輸 出電壓。如果電源由在開路狀態(tài)期間不補償開路回路電壓的電壓調(diào)節(jié)器控制，那么電壓調(diào) 節(jié)器會減小電源的輸出電壓。
電源的輸出電壓的減小縮短了弧階段，從而造成更多開路階段。因此，電壓調(diào)節(jié)器 將操作情形認作為輸出電壓表面上是高的，但在焊接的生產(chǎn)階段(即短路階段和弧階段)期 間實際上是低的。因此，系統(tǒng)將保持在其中經(jīng)常發(fā)生開路狀態(tài)的情況下，這使得焊接效率低 并且品質(zhì)低。
如在本發(fā)明的實施方案中所提出，通過在檢測到開路狀態(tài)時抑制誤差信號進入電 流調(diào)節(jié)器，可以在開路狀態(tài)期間避免高壓的曲解。在弧形態(tài)的操作情況因此可以由電壓反 饋回路中的電流調(diào)節(jié)器精確控制而不受隨機出現(xiàn)的開路狀態(tài)的影響。
特定來說，開路檢測器可以連接到開關，所述開關被配置以取決于是否檢測到開 路狀態(tài)而連接或斷開電流調(diào)節(jié)器的輸入端與所述減法節(jié)點的輸出端。
所述系統(tǒng)還可包括短路檢測器，所述短路狀態(tài)檢測器具有用于檢測短路狀態(tài)的閾 值電平，所述閾值電平取決于供應到所述電源的參考電流的幅值。
本發(fā)明還涉及一種短弧焊接系統(tǒng)，其包括電源和連接到所述電源的焊接吹管，所 述電源由如上所述的系統(tǒng)所控制。
本發(fā)明還涉及一種控制用于短弧焊接的直流電弧焊接裝置中的電源的方法，所述 直流電弧焊接裝置包括電流調(diào)節(jié)器，其包括在從電源到焊接電極的電壓反饋回路中；和 斜坡產(chǎn)生器，其被配置以在所述焊接電極的短路階段期間提供電流斜坡。在根據(jù)本發(fā)明的 方法中，在所述短路階段期間控制電源的輸出電流。在所述弧階段期間控制電源的輸出電壓。
根據(jù)本發(fā)明的方法使得能夠在短路階段期間良好控制電流斜坡的形狀，同時使得 能夠在弧階段期間正向控制電壓。
在本發(fā)明的實施方案中，檢測到開路狀態(tài)使得能夠抑制在短路狀態(tài)的周期期間的 調(diào)節(jié)誤差。因此，開路狀態(tài)將不會影響電流參考值，因此能夠實現(xiàn)高精度地控制輸出電壓并 且防止在開路狀態(tài)下參考電流歸因于電極與工件之間的高電壓而漂移。


將參考附圖描述本發(fā)明的實施方案，其中
圖1示出了最先進技術的短弧焊接過程的大體描述，
圖2是根據(jù)本發(fā)明的控制用于短弧焊接的弧焊接裝置中的焊接電流的系統(tǒng)的示 意圖，和
圖3示出了焊接系統(tǒng)的示意圖。
具體實施方式
圖2示出了控制用于短弧焊接的弧焊接裝置20 (圖3)中的焊接電流的系統(tǒng)12。
電壓反饋回路13控制連接到恒定電流電源的焊接電極處的電壓。
恒定電流電源包括電流反饋回路5a,電流反饋回路5a比較輸出電流與由用于控制弧焊接裝置20 (圖3)中的焊接電流的系統(tǒng)12提供的參考電流。包括在恒定電流電源5 中的電流調(diào)節(jié)器取決于參考電流與輸出電流之間的調(diào)節(jié)誤差來控制電源的輸出電流。
電壓反饋回路13包括減法節(jié)點I，此處從節(jié)點I中的參考電壓Uref減去輸出電 壓Uarc。輸出電壓Uarc與參考電壓Uref之間的差構成調(diào)節(jié)誤差E，其作為輸入信號通過 開關2被輸送到PI調(diào)節(jié)器3。
電壓反饋回路13還包括電流調(diào)節(jié)器(優(yōu)選的是PI調(diào)節(jié)器3)、開關2和開路狀態(tài)檢 測器6。
開關2由來自開路狀態(tài)檢測器6的信號所驅動，開路狀態(tài)檢測器6包括低通過濾 器6a和比較器6b。開路電壓閾值Uo. c.是在其上僅可能是開路狀態(tài)的閾值電平。電流調(diào) 節(jié)器3具有連接到開關2的輸入端3a。當由開路狀態(tài)檢測器6感應到開路狀態(tài)時，開關2 斷開。因此，PI調(diào)節(jié)器的輸入電壓(所述輸入電壓對應于調(diào)節(jié)誤差)將被設定為零。
因此，PI調(diào)節(jié)器3將假定電極與工件上的電壓在開路狀態(tài)期間是適當?shù)?。當?shù)絇I 調(diào)節(jié)器的輸入信號在開路狀態(tài)期間被抑制時，PI調(diào)節(jié)器將保持其現(xiàn)有狀態(tài)并且內(nèi)部電荷和 來自PI調(diào)節(jié)器的輸出電流Ireg都不會改變，如此，電壓調(diào)節(jié)反饋回路將不考慮在無弧階段 期間有增大的反饋電壓。
在求和節(jié)點4中，輸送參考電流信號Iref到電源5，來自PI調(diào)節(jié)器3的信號被添 加到來自斜坡產(chǎn)生器11的信號。
短路狀態(tài)是由短路檢測器7感應，短路檢測器7包括低通過濾器8和比較器10。 當檢測電壓Uarc低于可取決于參考電流的閾值Uth時，斜坡產(chǎn)生器接通來產(chǎn)生電流斜坡。
比較器10的閾值可以取決于電流。通過添加與參考電流Iref和零電流閾值電壓 Us. c. ο成比例的信號而在求和節(jié)點9中建立閾值信號。當短路檢測器檢測到短路狀態(tài)時， 斜坡產(chǎn)生器11將產(chǎn)生具有預定義上斜坡和下斜坡的額外斜坡電流Iramp。
圖3示意性地表示用于短弧焊接的弧焊接裝置20。短弧焊接裝置20包括電源21、 焊接控制系統(tǒng)22、焊絲卷筒23、焊絲饋送電動機24、保護氣體供應器25和焊接吹管26。圖 中的系統(tǒng)被設定用于對焊接件27執(zhí)行焊接操作。
根據(jù)本發(fā)明的用于控制焊接電流28的系統(tǒng)連接到電源用于在操縱期間控制所述 焊接電流。用于控制焊接電流28的系統(tǒng)可方便地整合到電源21的外殼中。
電源的輸出電壓和焊接電流可以由圖2中描述的電路來控制。視情況經(jīng)由焊接控 制系統(tǒng)22，來自電源的一條電力電纜29a連接到工件27且另一條29b連接到焊接吹管26 的電極32。
保護氣體供應器25通過管子系統(tǒng)連接到焊接吹管2。氣體量可以經(jīng)由焊接控制系 統(tǒng)22來調(diào)節(jié)。
另外，冷卻通道可存在于焊接吹管中。冷卻液體入口通道30和出口通道31可以 連接到焊接吹管中的冷卻通道。
焊絲饋送發(fā)動機24在操作期間控制焊接電極的饋送。
權利要求
1.一種控制用于短弧焊接的直流電弧焊接裝置(20)中的焊接電流的系統(tǒng)(12)，其包括電流調(diào)節(jié)器⑶，其包括在從電源(5)到焊接電極(32)的電壓反饋回路(13)中；和斜坡產(chǎn)生器(11)，其被配置來在所述焊接電極(32)的短路階段期間提供電流斜坡，所述系統(tǒng)(12)的特征在于所述電流調(diào)節(jié)器(3)和所述斜坡產(chǎn)生器(11)并聯(lián)連接且提供所述電源(5)的參考電流(Iref)給所述焊接電極(32)。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于控制焊接電流的系統(tǒng)，其特征在于所述參考電流(Iref)是來自所述電流調(diào)節(jié)器(3)的輸出電流(Ireg)與從所述斜坡產(chǎn)生器(11)提供的電流斜坡(Iramp)之和。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的用于控制焊接電流的系統(tǒng)，其特征在于所述電壓反饋回路(13)包括減法節(jié)點(I)，在所述減法節(jié)點(I)因測量的弧電壓(Uarc)與參考電壓(Uref)之間的差而產(chǎn)生反饋誤差(E)。
4.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的用于控制焊接電流的系統(tǒng)，其特征在于所述電壓反饋回路(13)包括開路檢測器(6)，所述開路檢測器(6)被配置來檢測開路狀態(tài)的存在且在由所述開路檢測器(6)檢測到開路狀態(tài)時抑制反饋誤差(E)。
5.根據(jù)權利要求4所述的用于控制焊接電流的系統(tǒng)，其特征在于所述開路檢測器(6)連接到開關(2)，所述開關(2)被配置來連接或斷開所述電流調(diào)節(jié)器(3)的輸入(3a)，其中所述減法節(jié)點(I)的輸出取決于是否檢測到開路狀態(tài)。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的用于控制焊接電流的系統(tǒng)，其特征在于所述電流調(diào)節(jié)器⑶是PI調(diào)節(jié)器。
7.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的用于控制焊接電流的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)(12)還包括短路狀態(tài)檢測器(7)，所述短路狀態(tài)檢測器(7)具有用于檢測短路狀態(tài)的閾值電平(Uth)，所述閾值電平(Uth)取決于供應到所述電源(5)的所述參考電流(Iref)的幅值。
8.一種直流電短弧焊接系統(tǒng)(20)，其包括電源(5)和連接到所述電源(5)的焊接吹管(26)，所述直流電短弧焊接裝置(20)的特征在于所述電源由根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的用于控制焊接電流的系統(tǒng)(12)所控制。
9.一種控制用于短弧焊接的直流電弧焊接裝置(20)中的電源(5)的方法，所述直流電弧焊接裝置(20)包括電流調(diào)節(jié)器(3)，其包括在從電源(5)到焊接電極(32)的電壓反饋回路(13)中；和斜坡產(chǎn)生器(11)，其被配置來在所述焊接電極(32)的短路階段期間提供電流斜坡，所述方法的特征在于在所述短路階段期間控制電源的輸出電流并且在弧階段期間控制輸出電壓。
10.根據(jù)權利要求9所述的用于控制電源的方法，其特征在于檢測開路狀態(tài)。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其特征在于當檢測到所述開路狀態(tài)時抑制反饋誤差(E)輸入到所述電壓反饋回路(13)中的電流調(diào)節(jié)器(3)。
全文摘要
一種控制用于短弧焊接的弧焊接裝置中的焊接電流的系統(tǒng)，其包括電流調(diào)節(jié)器，其包括在從電源到焊接電極的電壓反饋回路中；和斜坡產(chǎn)生器，其被配置來在短路階段期間在所述焊接電極處提供電流斜坡。
文檔編號B23K9/073GK103003019SQ201080067080
公開日2013年3月27日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權日2010年5月28日
發(fā)明者A·梅尼徹 申請人:依賽彼公司