專利名稱：:焊接電源外特性控制法，弧焊機及其電路的制作方法本發(fā)明屬于焊接電源及其控制線路。傳統(tǒng)的氣體保護熔化極電弧焊(GMA)焊機一直采用電流電壓關(guān)系為平直的、下降的或微升的電源外特性，以期在焊接過程中獲得較強的電弧自調(diào)節(jié)能力，以及維持電弧穩(wěn)定和得到金屬噴射過渡的效果，但實際上至今未能圓滿地解決焊接電弧自調(diào)節(jié)能力和保證穩(wěn)定的金屬噴射過渡這兩項相互矛盾的要求。近年來發(fā)展的GMA焊機采用兩種外特性組合成非線性的電源在維弧階段用陡降特性使電弧維持穩(wěn)定;而用平直特性的強迫脈沖產(chǎn)生金屬噴射過渡。這樣就可以實現(xiàn)分別改變維弧電流和脈沖電流的幅值及其相應(yīng)的維持時間這四個參數(shù)，使焊絲的熔化速度能夠靈活地調(diào)節(jié)。雖然這種焊機的焊接電流適用范圍比一般直流焊機寬得多，但是，為了整定焊絲的熔化速度，必須先確定上述四個參數(shù)，因此十分復(fù)雜。只要其中某個參數(shù)整定不當，就會導(dǎo)致電弧不穩(wěn)定，甚至熄滅。又由于在維弧期間采用陡降的電源外特性，所以弧長的自調(diào)節(jié)能力不強。再者，脈沖電流幅值總是難免有波動的，故不能保證穩(wěn)定的金屬噴射過渡。1981年6月英國的M.AMIN在《金屬結(jié)構(gòu)》(MetalConstruction)雜志上提出了一種稱為“SYNERGIC”的熔化極氣體保護脈沖焊接方法，它把送絲速度和上述四個參數(shù)通過一個控制系統(tǒng)聯(lián)系起來，送絲速度一經(jīng)選定，上述四個參數(shù)即由電子電路自動整定。但是，在這一系統(tǒng)中沒有反應(yīng)弧長和電弧參數(shù)之間的變化。因此，除送絲速度以外的任何對弧長的干擾都會使電弧的穩(wěn)定遭到破壞。此外，據(jù)知UEGURI等人的第81105288.5號歐洲專利申請?zhí)岢隽藢㈦娀〉碾娏?、電壓與上述四個參數(shù)聯(lián)系起來控制焊接電源的脈沖焊機，實現(xiàn)了在焊接過程中焊接參數(shù)自動調(diào)節(jié)的一種方式。但是，由于采用積分電路測量電弧電壓表示弧長，所以對弧長擾動的瞬態(tài)響應(yīng)很差，影響了焊接電弧的自調(diào)節(jié)作用。本發(fā)明的目的旨在促進上述這些問題的解決。本發(fā)明的構(gòu)成是一種自適應(yīng)控制脈沖焊機(以下簡稱TSAD焊機)采用一種焊接電弧自適應(yīng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使電源呈現(xiàn)多階梯和具有運動斜率的外特性，能使焊接電弧自始至終處于最佳狀態(tài)，從而解決了現(xiàn)有焊機存在的電弧自調(diào)節(jié)能力和保證穩(wěn)定的金屬噴射過渡之間的矛盾問題。上述的多階梯外特性主要包括三段一段為使維持電弧充分穩(wěn)定的稍微傾斜的特性，一段為保持穩(wěn)定的金屬噴射過渡、保證電弧為恒定電流的垂直特性，以及一段為加速電弧由維弧階段到脈沖階段間過渡的運動斜率特性，這三段特性與空載點和短路點連接成多階梯的外特性。上述的運動斜率特性是本發(fā)明焊機中獨具的特點。為實現(xiàn)這一特點，在上述控制系統(tǒng)中設(shè)有一個掃描電路，它由弧長上下限電壓觸發(fā)並按焊接電流微變量進行掃描。當焊接電流微變量上升時，它使電源電壓遠高于弧壓降，當焊接電流微變量減少時，它使電源電壓遠低于弧壓降，從而使電弧快速完成向維弧或脈沖最佳穩(wěn)定點的過渡，這是與現(xiàn)有脈沖焊機的特性迴然不同的，這也是實現(xiàn)本發(fā)明焊機具有電弧自適應(yīng)能力的主要電路之一。本發(fā)明TSAD焊機的另一特點是在焊接電弧自適應(yīng)控制系統(tǒng)中采用一個多階梯外特性的自動轉(zhuǎn)換電路，它能將任意多段和任意斜率的特性線段銜接起來組合而成任意多階梯的特性曲線，從而實現(xiàn)了電源為多階梯的外特性。TSAD焊機控制系統(tǒng)中的送絲電路與現(xiàn)有焊機不同，它能實現(xiàn)使弧長隨送絲速度的變化而自動進行補償從而保證最適度的金屬噴射過渡TSAD焊機的晶體管電源本身具有檢測和控制弧長的能力，故不需象現(xiàn)有焊機那樣附加檢測弧長的電路，即能實現(xiàn)自動地調(diào)節(jié)輸出的電流和電壓，使焊接電弧永遠處于最佳狀態(tài)。由于TSAD焊機具有多階梯的外特性，在維弧和脈沖階段分別采用不同的電流和電壓，故能使焊接電源的功耗減少。由于TSAD焊機是用于GMA焊接的，故具有以下一些優(yōu)點焊接電弧穩(wěn)定;保證金屬噴射過渡而且飛濺極少;能適應(yīng)脈沖送絲或函數(shù)送絲;以及可以采用單旋鈕調(diào)節(jié)送絲速度而無需調(diào)整其它焊接參數(shù)，操作起來十分簡便。由于上述特征，所以本發(fā)明的TSAD脈沖焊機不但具有與機器人聯(lián)用的潛力，而且還可發(fā)展應(yīng)用于焊縫溶深和成形控制焊接;線能量控制焊接;鋁和鋁合金的亞射流過渡焊接以及CO2焊接。為了全面了解本發(fā)明的內(nèi)容，現(xiàn)結(jié)合有關(guān)附圖作如下具體說明，其中圖1是TSAD焊機的框圖;圖2是TSAD焊機焊接電源部分的電路圖;圖3是如圖2所示的焊接電源的多階梯運動斜率外特性;圖4是如圖3所示的焊接電源的多階梯外特性自動轉(zhuǎn)換電路;圖5是焊接電源的運動斜率外特性控制電路;圖6是任意多階梯外特性自動轉(zhuǎn)換電路;圖7是由圖6電路實現(xiàn)的任意多階梯外特性曲線;圖8是TSAD焊機的送絲電路。如圖1所示，本發(fā)明的TSAD焊機包括一個含有外特性控制電路1、過載保護電路2、驅(qū)動電路3和主電路4的焊接電源12，以及一個含有脈沖送絲控制電路5、電機驅(qū)動電路6和送絲電機7的送絲機構(gòu)13。焊絲11是通過送絲電機7控制的送絲機構(gòu)10向金屬部件9移動而進行焊接的。電壓u和電流i分別送到外特性控制電路1。主電路4的輸出連接到焊絲11和金屬部件9，以便在焊絲和金屬部件之間產(chǎn)生電弧8。上述的各個部分構(gòu)成一個焊接電弧自適應(yīng)控制系統(tǒng)。參照圖2，上述外特性控制電路中包括一個如圖4所示的焊接電源的多階梯外特性自動轉(zhuǎn)換電路和一個如圖5所示的焊接電源的運動斜率外特性控制電路。從圖2和圖8中可見，上述TSAD焊機除了焊接電纜不可避免地盤繞外，沒有其它慣性元件，因而該焊機的控制系統(tǒng)具有極好的動態(tài)品質(zhì)。如圖3所示，上述焊接電源的多階梯運動斜率外特性是由五條基本特性線段組成的，其中A是開路點(空載點);BC為一條用以保持維弧充分穩(wěn)定的陡升特性線段;CD為一條在l1(弧長上限)和l2(弧長下限)之間的具有運動斜率的能加速電弧從維弧階段到脈沖階段往返過渡的特性線段;DE為一條垂直的以保證脈沖階段電弧的工作點為恒定電流的特性線段;EF和FG控制短路特性線段;G為短路點。上述BC，CD和DE三條特性線段是焊接電源外特性的主要組成部分。在傳統(tǒng)焊機上，當弧長增大時，維弧電流總是下降的。而本發(fā)明由于BC段作用的結(jié)果，當弧長越大或弧壓越高時，維弧電流的幅值也越大，從而使維弧的穩(wěn)定得到了保證。本發(fā)明還使CD特性線段在弧長允許的上、下限l1和l2之間傾斜，並隨焊接電流的增量而掃描，掃描的軌跡為由CD線段向S1或S2方向運動，從而實現(xiàn)了運動斜率的外特性。該運動斜率外特性的運動過程如下假定在初始瞬間弧長為l1，電弧工作點為C′，由于此段焊接電流很小，電弧只維持燃燒而無金屬過渡，所以弧長減小，電弧的工作點從C′下降到C。一旦到達C點時，立即觸發(fā)，CD段開始隨焊接電流的微變量進行掃描，在掃描過程中，電源的輸出電壓遠高于電弧的壓降，因而使電弧迅速地從C跳到D′，此時焊接電流變得很大，開始預(yù)定形式的金屬過渡，這時弧長逐漸增大，一旦增大到D點，DC段又開始上述的掃描，然而在這次掃描過程中，電源的輸出電壓遠低于電弧的壓降，因而使電弧迅速地從D跳回C′。上述過程自動地重復(fù)進行，弧長在l1和l2之間的△1內(nèi)變化，電弧工作點則沿四邊形C′CD′DC′的邊緣運動，從而獲得了焊接電源的輸出自動跟蹤弧長的變化。這種運動斜率外特性的優(yōu)點在于第一，弧長能精確地被控制在上、下限l1和l2的間隔內(nèi)，間隔值△l通?？稍O(shè)計成等于焊絲的直徑，l1、l2和△1的絕對值可通過改變四邊形C′CD′DC′的參數(shù)及位置來調(diào)節(jié)。第二，可使金屬過渡在恒流下進行，恒流的幅值通過預(yù)設(shè)DE段的參數(shù)來確定，因而可保持穩(wěn)定的噴射過渡形式。第三，焊接電弧的電流可自動地視弧長而變化，這與傳統(tǒng)的強迫脈沖弧焊接或閉環(huán)控制的金屬焊絲惰性氣體保護(MIG)焊接具有本質(zhì)的不同。第四，脈沖電弧能自行適應(yīng)送絲速度的任何變化，並快速響應(yīng)任何類型的弧長干擾，這就是本發(fā)明容易實現(xiàn)單旋鈕調(diào)整送絲速度和適宜用脈沖送絲工藝的根本原因。參照圖4，具有運算放大器AlO1的控制電路是用以實現(xiàn)恒流或垂直外特性的，其中R′i表示電流的參考值，i表示焊接電流信號，u表示電弧電壓信號。應(yīng)該指出的是，此控制電路給運算放大器AlO1設(shè)計了第三個輸入信號u，即電弧電壓信號(±u)。于是電源的外特性成為一條與垂直軸傾斜的線段，其斜率可調(diào)整成正的或負的，斜率的正負和大小取決于輸入電壓信號u的符號和幅值。在具有運算放大器AlO2和AlO3的控制電路中，R′u表示輸入電弧電壓的參考值，此控制電路給運算放大器AlO2設(shè)計了第三個輸入信號(±i)，該電流信號使平特性向上或向下傾斜，傾斜的方向和程度取決于代表焊接電流信號i的符號和大小。上述兩個控制電路實現(xiàn)了電源外特性的個別線段，如何將多段任意斜率的外特性自動準確地連接起來成為如圖3所示的特性曲線是本發(fā)明的關(guān)鍵如果采用傳統(tǒng)的測試和電子開關(guān)控制電路的方法來連接外特性會出現(xiàn)一系列的問題。例如，由于閉環(huán)反饋的靜態(tài)誤差和外特性位置、斜率的變化，要使轉(zhuǎn)換點與外特性的實際交點完全吻合是相當困難的。當切換點與外特性的實際交點出現(xiàn)誤差時，在兩條外特性交點的附近區(qū)域就會出現(xiàn)死區(qū)、重合區(qū)或振蕩區(qū)，用這種轉(zhuǎn)換方法所獲得的多階梯外特性，其性能是很差的。而TSAD焊機采用的是一種與現(xiàn)有技術(shù)完全不同的多階梯外特性自動轉(zhuǎn)換電路。這種電路利用反饋和一個二極管組來實現(xiàn)上述斜率不同的外特性線段之間的自動轉(zhuǎn)換。下面將具體說明這一轉(zhuǎn)換電路。如圖4所示，該自動轉(zhuǎn)換電路包括五個反饋控制回路。其中AlO1至AlO7為運算放大器，R′i，R″i和R′′′i為焊接電流的參考值，R′u和R″u為電弧電壓參考值，U為電弧電壓的反饋信號，i為焊接電流的反饋信號，b點為向大功率晶體管組基極輸出的信號。參照圖3，具有運算放大器AlO1的第一回路用來產(chǎn)生BC段外特性，具有運算放大器AlO2和AlO3的第二回路用來產(chǎn)生CD段外特性，具有運算放大器AlO4的第三回路用來產(chǎn)生DE段外特性，具有運算放大器AlO6和AlO5的第四回路用來產(chǎn)生EF段外特性，具有運算放大器AlO7的第五回路用來產(chǎn)生FG段外特性。假定電弧在BC段工作，這時第一反饋回路動作，在接點14處的電位為正;在第二反饋回路中，由于｜u｜》｜R′u｜，因而在接點15處的電位為負向飽和;在第三反饋回路中，由于｜R″i｜》｜i｜，因而在接點16處的輸出電位為正向飽和;同理，在接點17處的電位為負向飽和，在接點18處的電位為正向飽和。這時可以看出，除了第一反饋回路外，其它所有反饋回路都被二極管D2，D3，D4和D5所阻斷。如果電弧工作點移到CD段，在第一回路中，由于｜i｜》｜R′i｜，因而在接點14處的輸出電位變?yōu)樨撓蝻柡停@時第二回路開始動作，在接點15處處的輸出電位為正。其它三個回路的輸出電位和前述一樣，即在接點16處為正，在接點17處為負，在接點18處為正，所以除了第二回路外，其它所有的反饋回路都被阻斷。上述第三回路中二極管D3組成箝位電路，其特點與第一、第二回路不同。當電弧工作點在DE段時，第三回路開始動作，接點16處的電位為正，但在接點14處的電位為負，其它接點的電位如15處為正，17處為負以及18處為正，這就是說，只有第一、第四和第五回路被阻斷。由于第二回路的輸出為正，所以它不會被阻斷。這時在接點19處的輸出信號由接點16處的箝位電位控制而不由接點15處的輸出電位控制。如果工作點在DE段上繼續(xù)移動而超過E點時，第三回路的輸出電位為負向飽和並將接點20處的電位箝制為負值，于是二極管D6將其上面的三個回路阻斷。當工作點在EF段上時，第四回路動作，其工作情況與第二回路相同，如果電弧工作點在FG段上時，第五回路的工作情況和第三回路相同。換言之，當電弧工作點進入EF段后，由于第三回路將接點20處的電位箝制為負值，二極管D6將前三個回路阻斷，第四回路和第五回路可認為是獨立的。另外，在圖4所示的多階梯外特性自動轉(zhuǎn)換電路的基礎(chǔ)上，只要所給定的焊接電流參考值R′i，R″i和R″′i是遞增的，以及給定的焊接電壓參考值R′u，R″u和R′′′u是遞減的，就很容易發(fā)展成為如圖6所示的任意多階梯外特性自動轉(zhuǎn)換電路和由此電路產(chǎn)生的如圖7所示的任意多階梯外特性線段。圖5所示的是實現(xiàn)圖3中CD線段使其具有運動斜率並由弧長上、下限控制觸發(fā)的掃描電路，其中給運算放大器AlO2的輸入端設(shè)計了一個來自掃描電路21的附加輸入信號23。上述掃描電路21由運算放大器AlO8，反相器AlO9和微分電路22三部分組成。如果電弧工作點在恒流段上，則掃描電路21在反饋回路中不起作用，AlO8和AlO9只輸出一個恒幅值的信號給AlO2，該信號使CD段的斜率稍有增加。但在事實上，當電弧工作點從C′到C點時，電流沿電弧靜特性曲線CD′迅速增大，于是掃描電路21對焊接電流值進行微分，微分測得的電流變量經(jīng)放大后送到23作為AlO2的具有掃描特性的輸入，從而使AlO9的輸出產(chǎn)生運動斜率。當電弧工作點從C跳到D′的過程中，焊接電流的微變量變化速率先是增加而后下降，因而AlO9在接點23的輸出也是先增大后減小，這就導(dǎo)致CD段的掃描作用先是反時針方向，后是順時針方向。同理，當電弧工作點從D向C′過渡時，焊接電流將沿電弧靜特性曲線DC′迅速減小，掃描電路將這一微變量經(jīng)放大后送向接點23，使DC段進行如前所述的掃描運動。參照圖8所示的送絲電路13，其中送絲電機7的速度由三極管Tr601控制，為了改善送絲機構(gòu)的機械特性，在電機驅(qū)動電路6中引入電樞電壓負反饋，反映送絲速度的電樞電壓由接點M1和M2接到外特性控制電路中的接點M1和M2。使如圖3所示的外特性中的CD段隨著送絲速度的增加向上平移，使焊接電弧的弧長有所增加，使弧長控制能夠獲得一定的補償作用。為了防止電樞和三極管過載損壞，由接點602引入負反饋，通過放大器A603對三極管Tr602輸出的電流幅值進行限制。在一般等速送絲情況下，開關(guān)24置于接點C1和C2，送絲速度由電位計W601調(diào)節(jié);當采用脈沖送絲焊接時，將開關(guān)24置于接點P1和P2，脈沖發(fā)生器由互相觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器T501和T502組成。電子開關(guān)SW501由T502控制並分別接通不同的送絲速度給定值。脈沖和休止的送絲速度分別由電位計W503和W504調(diào)節(jié)，脈沖和休止的時間分別由電位計W501和W502調(diào)節(jié)。當采用函數(shù)送絲焊接時，送絲函數(shù)的電壓訊號可由接點603輸入，在此情況下開關(guān)24置于接點C1和C2。TSAD焊機用直徑為1.0，1.2和1.6mm的鋼焊絲在Ar+CO2混合氣體下進行過反復(fù)試驗，正如表1所示它能在很寬的焊接電流范圍內(nèi)得到噴射過渡的電弧。表1<tablesid="table1"num="001"><tablealign="center">焊絲直徑(mm)適用的焊接電流范圍(A)1.045～2201.260～3201.680～360</table></tables>至于節(jié)電方面，由于電弧的工作點只交替地出現(xiàn)在兩點上，即一點在BC段的下端，另一點在DE段的上端。在前一種情況下，晶體管組的電壓降較高，但所通過的電流卻很小;在后一種情況下，通過晶體管組的電流很大，而電壓降卻很小，因而晶體管組總的功耗是很小的。還值得提出的是由于TSAD焊機具有焊接電弧自適應(yīng)的調(diào)節(jié)能力，所以在很寬的焊接電流范圍內(nèi)能在MIG脈沖焊接中獲得非常穩(wěn)定的焊接電弧，且能保證飛濺極少的金屬噴射過渡。另外，TSAD焊機還適用于脈沖送絲焊和函數(shù)送絲焊，是一種采用單旋鈕控制的焊機，無需調(diào)整其它焊接參數(shù)，操作起來十分簡便。TSAD焊機還可與焊接機器人聯(lián)用，並可進一步發(fā)展應(yīng)用于焊縫熔深和成形控制焊接;線能量控制焊接;鋁和鋁合金亞射流過渡焊接以及CO2焊接。文件名稱頁行補正前補正后說明書414EF和FG控制EF和FG為控制說明書625在接點15處在接點15說明書72，7，9，13箝拑說明書812M1和M2M1和M2(見圖2)說明書3圖3L1和L2I1和I權(quán)利要求1.利用焊接電源[12]的外特性來控制電弧的方法，其特征為焊接電源的外特性是多折線形的，該多折線包括一條電壓隨電流的增加而陡增的陡升線段(BC，BC′)，一條電壓隨電流的增長而上升的微升線段(CD)，以及一條垂直線段(DE)。2.按權(quán)項1所說的方法，其特征為微升線段(CD)的下端點(C)也是陡升線段(BC)的下端點(C)，微升線段(CD)的上端點(D)也是垂直線段(DE)的上端點(D)，微升線段(CD)的下端點(C)按弧長的下限值進行整定，微升線段的上端點(D)按弧長的上限值進行整定。3.弧焊機包括一個焊接電源〔12〕和一個送絲機構(gòu)〔13〕，該焊接電源包括一個控制焊接電源外特性(具有上升和下降線段的U-I特性)的外特性控制電路〔1〕，該電路與焊絲〔11〕和焊接物〔9〕形成電氣連接，送絲機構(gòu)〔13〕包括一個控制送絲速度的送絲控制電路〔5〕，其特征為外特性控制電路〔1〕產(chǎn)生一個在開路點〔A〕和短路點〔G〕之間具有不同斜率的多折線(AB，BC，CD，DE，EF，F(xiàn)G)的多階梯外特性。4.按權(quán)項3所說的弧焊機，其特征為外特性控制電路〔1〕產(chǎn)生一運動的輸出特性，以便自動地檢測電弧〔8〕的弧長，并且自動地根據(jù)弧長的波動控制輸出電壓和輸出電流，從而達到自適應(yīng)的效果。5.按權(quán)項4所要求的弧焊機，其特征為外特性控制電路〔1〕產(chǎn)生一反應(yīng)焊接電流微增或微減的掃描作用。6.按權(quán)項4所說的焊機，其特征為該掃描作用是由弧長或電弧電壓的上限值(l1〕和下限值〔l2〕觸發(fā)產(chǎn)生的。7.按權(quán)項3-6中之一所說的焊機，其特征為外特性控制電路〔1〕產(chǎn)生一陡升線段(BC)，該線段稍微傾斜以維持電弧〔8〕的穩(wěn)定燃燒，并產(chǎn)生一微升線段(CD)，在該線段上電弧電壓是隨焊接電流的增加而增加的，以及產(chǎn)生一垂直線段(DE)用以維持脈沖電流的恒定。8.按權(quán)項3-6中之一所說的焊機，其特征為外特性控制電路〔1〕能將任意多段具有任意斜率和變化斜率的線段銜接起來。9.按權(quán)項7所說的焊機，其特征為外特性控制電路〔1〕能將任意多段具有任意斜率和變化斜率的線段銜接起來。10.具有多折(不同斜率)線段外特性電源的焊機的電路，其特征為由運算放大器〔AlO1-AlO9〕組成的反饋電路用以獲得外特性曲線的各個不同斜率的線段。11.按權(quán)項10所說的電路，其特征為該電路中的反饋控制運算放大器〔AlO1-AlO7〕與二極管〔D1-D5〕以一種多路轉(zhuǎn)換器的方法進行連接，因此使電路的輸出能有選擇和交替地從放大器〔AlO1-AlO7〕之一中取得。專利摘要一種用于電弧焊接的方法和設(shè)備，其中，包括焊接電源和送絲機構(gòu)的脈沖弧焊機是由外特性控制電路，過載保護電路，驅(qū)動電路和主電路以及送絲控制電路，電機驅(qū)動電路和送絲電機組成的。脈沖電弧焊機的焊接電弧自適應(yīng)控制系統(tǒng)所使用的電源具有多階梯和運動斜率的外特性。此外，還提供了可使任意多段和任意斜率或運動斜率的特性線段銜接起來的自動轉(zhuǎn)換電路，以及實現(xiàn)運動斜率特性線段的掃描電路。是僅需單旋鈕控制送絲速度的自適應(yīng)控制氣體保護金屬極電弧(GMA)焊機，無需調(diào)整其它的焊接參數(shù)，操作起來十分簡便。文檔編號B23K9/09GK85100037SQ85100037公開日1985年9月10日申請日期1985年4月1日發(fā)明者潘際鑾,張人豪,區(qū)智明,吳志強申請人:清華大學導(dǎo)出引文BiBTeX,EndNote,RefMan