專利名稱：短弧焊接系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于控制短弧焊接的直流電弧焊接裝置中的焊接電流的系統。本 發明尤其涉及一種用于控制短弧焊接的直流電弧焊接裝置中的焊接電流的系統，其包括 電流調節器，其包括在電壓反饋回路中；和斜坡產生器，其被配置以在短路期間提供電流斜 坡。此外，本發明涉及一種用于控制電源的方法。
背景技術：
本發明涉及一種用于控制短弧焊接的直流電弧焊接裝置中的焊接電流的系統。短 弧焊接是氣體保護金屬極弧焊接中的金屬轉移模式，其中熔融金屬滴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，熔化電極持續饋送向焊接區。通常來說，用于金屬弧 焊接的系統包括焊接吹管、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 的系統還包括用于控制電源的焊接電流的系統。提供用于控制焊接電流的系統來為電源產 生參考電流。參考電流控制電源使得焊絲電極的熔化和熔融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呈所需金屬轉移模式來執行焊接。
在包括金屬活性氣體焊接(MAG)和金屬惰性氣體(MIG)焊接在內的氣體保護金屬 極弧焊接(GMAW)中，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 持續熔化焊絲。弧和熔融材料通過惰性氣體流或活性氣體混合物而與大氣隔離。MIG和MAG 焊接過程通常用焊絲正極在D. C.(直流電)上操作。這已知為“反”極性。“正”極性較不 常使用，這是因為熔融金屬從焊絲電極到工件的轉移較差。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，可以獲得穩定的、自我校正的弧。持續的發展已使MIG工藝適用于所有商業上很重要的 金屬的焊接，諸如鋼、鋁、不銹鋼、銅和其它幾種。
MIG和MAG焊接工藝在用于低生產應用和高生產應用的手動和自動金屬接合中提 供許多優點。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 優點是
I)在所有位置都可焊接。
2)不需要去除熔渣。
3)高焊接金屬沉積速率。
4)焊接完成的總時間約為敷料電極的1/2。
5)高焊接速度。工件扭曲較少。
6)聞焊接品質。
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)沒有如用桿電極那樣的握柄料損失。
在MIG和MAG焊接技術中，在不同金屬轉移模式之間產生區別短弧轉移模式、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，產生相當大的熔滴。熔滴將成長為其中其橋接電極與焊接 熔池之間的間隙的狀態。電源的短路和弧的消失將立即發生。收聚效應將由斜坡產生器控 制來完成熔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，發生混合弧轉移。尺寸 會變化的液滴是由短路和非回路液滴的混合物組成。這種金屬轉移模式不穩定，常有飛濺 和濃煙。
在噴射弧焊接模式中，小的熔滴從電極被隨機轉移。小的熔滴不會使弧短路。在 噴射弧焊接中，弧穩定且不會產生令人生厭的飛濺。
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行。焊絲的饋送速度適合焊接電流使 得熔融金屬的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.030英寸(.76毫米)到.045英寸(1.1毫米)范圍內的 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池。這 種焊接技術對于在任何位置接合薄材料、在垂直和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。熔融材料液滴生長在電極的端部。 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。在不發生所謂的開路狀態的情況下周期才是理想的。
開路狀態是當電極上既不存在弧也不存在短路時的狀態。與弧狀態比較，開路狀 態在電極與工件之間電壓更高。開路狀態下的高電壓能實現從短路狀態到弧狀態的更快轉 變。
短弧焊接過程本質上是隨機且難以控制的。短路階段和燃弧階段中的焊接過程的 控制具挑戰性，且開路狀態的發生給短弧焊接過程的控制增加了復雜性。開路狀態通常不 被期望且隨機出現。
在電壓反饋回路中，電極與焊接熔池之間的電壓被測量。測量電壓與參考電壓作 比較。電流調節器取決于感應電壓與參考電壓之間的差來調節輸出電流，以便減少常規方 式中的調節誤差。適宜地，PI調節器可用于這個目的。
在用于控制短弧焊接的先前技術系統中，燃弧階段通常由與電流上升限制器串聯 連接的電壓調節器來控制電壓。這導致難以控制弧狀態和短路狀態，這是由于電壓調節器 會影響電流上升限制器且反之亦然。發明內容
本發明的目的是進一步改善用于控制短弧焊接裝置中的焊接電流以便進一步穩 定短弧焊接過程的系統。
本發明的另一目的是提供一種用于控制短弧焊接的直流電裝置中的焊接電流的系統，其利于在短弧焊接的燃弧階段和短路階段的精確控制。
這些目的是通過根據權利要求1的用于控制短弧焊接的弧焊接裝置中的焊接電 流的系統來實現。用于控制焊接電流的所述系統包括電流調節器，所述電流調節器包括在 從電源到焊接電極的電壓反饋回路中。
在短路焊接中，會隨機出現開路狀態。在開路狀態期間存在過程的中斷使得電極 上既不發生弧也不發生短路。在開路狀態下，電極與工件之間存在開路電壓。開路電壓是 電源的嵌入式特征。在短路階段期間或在燃弧階段期間，開路電壓通常大大高于工作電壓。 在短弧焊接期間，開路狀態發生在短弧范圍的較低范圍下，當平均電壓和焊絲饋送速度很 慢時。在先前技術系統中，短弧焊接中的電源由來自電源的反饋回路中的電壓調節器來控 制，所述調節器在短路階段和燃弧階段期間使用平均電壓作為控制參數。開放回路狀態增 大了平均輸出電壓。如果電源由在開路狀態期間不補償開放回路電壓的電壓調節器控制， 那么電壓調節器會減小電源的輸出電壓。
電源的輸出電壓的減小縮短了燃弧階段，從而造成更多開路階段。因此，電壓調節 器將操作情形認作為輸出電壓表面上是高的，但在焊接的生產階段(即短路階段和燃弧階 段)期間實際上是低的。因此，系統將保持在其中經常發生開路狀態的情況，這使得焊接效 率低并且品質低。
如在本發明的實施方案中所提出，通過在檢測到開路狀態時抑制誤差信號進入電 流調節器，可以避免在開路狀態期間高電壓的誤解。在弧形態的操作情況因此可以由電壓 反饋回路中的電流調節器精確控制而不受隨機出現的開路狀態的影響。
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 路狀態而連接所述電流調節器的輸入端與所述減法節點的輸出端或斷開連接。
電源是恒定電流電源，其取決于進入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，焊接電壓被感應到并且與參考電壓值作比較來形成到包括在電壓 反饋回路中的電流調節器的輸入。在燃弧階段期間，電極上的電壓由電壓反饋回路中的電 流調節器控制。因此，由于在燃弧階段期間參考電流的電壓反饋控制，恒定電流電源在燃弧 階段期間被給定恒定電壓特征。
斜坡產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 行。為了產生穩定的焊接狀況，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焊接過程的穩定控制。本領域技術人員熟知斜坡產生 器及其功能。因此，本領域技術人員可以常規方式選擇斜坡產生器的組件來達到電流斜坡 的所需形狀。由斜坡產生器產生的電流斜坡被增加到來自電壓反饋回路中的電流調節器的 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定性的原因。此處電流響 應意謂電極上的輸出電流的變化取決于(例如)當發生短路時或當短路狀態改變成弧狀態 時發生的負荷的改變。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 于由斜坡產生器提供的斜坡的形狀。
通過分開斜坡產生器和電壓反饋回路中的電流調節器并且使其并聯配置，應易于 可行的是對弧狀態下的弧的電壓控制和短路狀態中的電流控制。電壓反饋回路中的電流調節器控制參考電流以便減少輸出電壓與參考電壓之間的調節誤差。電流調節器是PI調節 器，其使得能夠控制平均電壓。由于電流調節器中的集成使得來自電流調節器的響應很慢， 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節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燃弧階段期間是電壓受控制，且因此在 燃弧階段期間用作為恒定電壓電源且在燃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 來自所述電流調節器的輸出電流和由所述電流調節器提供的電流斜坡之和。通過并聯配置 斜坡產生器和電流調節器，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 流調節器的影響。
電壓反饋回路可包括減法節點，在所述減法節點因測量的弧電壓與參考電壓之間 的差而產生反饋誤差。
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的存在 并且在檢測到開路狀態時抑制誤差信號。
系統還可包括短路狀態檢測器，所述短路狀態檢測器具有用于檢測短路狀態的閾 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。
本發明還涉及一種短弧焊接系統，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所控制。
本發明還涉及一種用于控制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節器，其包括在從電源到焊接電極的電壓反饋回路中；和 斜坡產生器，其被配置以在短路階段期間在所述焊接電極處提供電流斜坡。在根據本發明 的方法中，在所述短路階段期間控制電源的輸出電流。在所述燃弧階段期間控制電源的輸 出電壓。
根據本發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 能夠在燃弧階段期間正向控制電壓。
在本發明的實施方案中，檢測到開路狀態使得能夠抑制在開路狀態的周期期間的 調節誤差。因此，開路狀態將不會影響電流參考值，因此能夠實現高精度地控制輸出電壓并 且防止在開路狀態下參考電流由于電極與工件之間的高電壓而漂移。


將參考附圖描述本發明的實施方案，其中
圖1展示最先進技術的短弧焊接過程的大體描述，
圖2是根據本發明的用于控制短弧焊接的弧焊接裝置中的焊接電流的系統的示 意圖，和
圖3展示焊接系統的示意圖。
具體實施方式
圖2展示用于控制短弧焊接的弧焊接裝置20 (圖3)中的焊接電流的系統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12提供的參考電流。包括在恒定電流電源5 中的電流調節器取決于參考電流與輸出電流之間的調節誤差來控制電源的輸出電流。
電壓反饋回路13包括減法節點I，此處從節點I中的參考電壓U#if中減去輸出電壓Um。輸出電壓Um與參考電壓U#it之間的差構成調節誤差E，其作為輸入信號通過開關2 被輸送到PI調節器3。
電壓反饋回路13還包括電流調節器(優選的是PI調節器3)、開關2和開路狀態檢測器6。
開關2由來自開路狀態檢測器6的信號所驅動，開路狀態檢測器6包括低通濾波器6a和比較器6b。開路電壓閾值是在超過該值僅可能是開路狀態的閾值電平。電流調節器3具有連接到開關2的輸入端3a。當由開路狀態檢測器6感應到開路狀態時，開關2打開。因此，PI調節器的輸入電壓(所述輸入電壓對應于調節誤差)將設定為零。
因此，PI調節器3將認為電極與工件上的電壓在開路狀態期間是適當的。當到PI 調節器的輸入信號在開路狀態期間被抑制時，PI調節器將保持其現有狀態并且內部電荷和來自PI調節器的輸出電流都不會改變，如此，電壓調節反饋回路將不考慮在非燃弧階段期間的增大的反饋電壓。
在求和節點4中，發送參考電流信號I _到電源5，來自PI調節器3的信號被添加到來自斜坡產生器11的信號。
短路狀態是由短路檢測器7感應，短路檢測器7包括低通濾波器8和比較器10。 當檢測電壓^低于可取決于參考電流的閾值Uiwt時，斜坡產生器接通來產生電流斜坡。
比較器10的閾值可以取決于電流。通過添加與參考電流成比例的信號和零電流閾值電壓Us. c. ο而在求和節點9中建立閾值信號。當短路檢測器檢測到短路狀態時， 斜坡產生器11將產生具有預定上斜坡和下斜坡的額外斜坡電流1# 。
圖3示意性地表示用于短弧焊接的弧焊接裝置20。短弧焊接系統20包括電源21、 焊接控制系統22、焊絲卷筒23、焊絲饋送電機24、保護氣體供應器25和焊接吹管26。圖中的系統被設定用于對焊接件27執行焊接操作。
根據本發明的用于控制焊接電流28的系統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。任選經由焊接控制系統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通過管系統連接到焊接吹管2。氣體量可以經由焊接控制系統 22來調節。
另外，冷卻通道可存在于焊接吹管中。冷卻液體入口和出口通道30，31可以連接到焊接吹管中的冷卻通道。
焊絲饋送電機24在操作期間控制焊接電極的饋送。
權利要求
1.一種用于控制短弧焊接的直流電弧焊接裝置(20)中的焊接電流的系統(12)，其包括電流調節器⑶，其包括在從電源(5)到焊接電極(32)的電壓反饋回路(13)中；和斜坡產生器(11)，其被配置以在短路階段期間在所述焊接電極(32)處提供電流斜坡，所述系統(12)的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的存在并且當由所述開路檢測器(6)檢測到開路狀態時抑制反饋誤差(E)。
2.根據權利要求1所述的用于控制焊接電流的系統，其特征在于所述開路檢測器(6)連接到開關(2)，所述開關(2)被配置以取決于是否檢測到開路狀態而連接所述電流調節器(3)的輸入端(3a)與所述減法節點(I)的輸出端或斷開連接。
3.根據權利要求1所述的用于控制焊接電流的系統，其特征在于所述電流調節器(3)和斜坡產生器(11)并聯連接并且提供用于所述電源(5)的參考電流到所述焊接電極(32)。
4.根據權利要求3所述的用于控制焊接電流的系統，其特征在于所述參考電流是來自所述電流調節器⑶的輸出電流(IimfJ和所述斜坡產生器(11)提供的電流斜坡(I斜坡)之和。
5.根據權利要求3或4所述的用于控制焊接電流的系統，其特征在于所述電壓反饋回路(13)包括減法節點(I)，在所述減法節點(I)因測量的弧電壓(Um)與參考電壓之間的差而產生反饋誤差(E)。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的用于控制焊接電流的系統，其特征在于所述電流調節器⑶是PI調節器。
7.根據前述權利要求中任一項所述的用于控制焊接電流的系統，其特征在于所述系統(12)還包括短路狀態檢測器(7)，所述短路狀態檢測器(7)具有用于檢測短路狀態的閾值電平(Uiwt)，所述閾值電平(Uiwt)取決于供應到所述電源(5)的所述參考電流(1_)的幅值。
8.一種直流短弧焊接系統(20)，其包括電源(5)和連接到所述電源(5)的焊接吹管(26)，所述直流短弧焊接系統(20)的特征在于所述電源由根據權利要求1至7中任一項所述的用于控制焊接電流的系統(12)所控制。
9.一種用于控制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)包括電流調節器(3)，其包括在從電源(5)到焊接電極(32)的電壓反饋回路(13)中；和斜坡產生器(11)，其被配置以在短路階段期間在所述焊接電極(32)處提供電流斜坡，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燃弧階段期間控制輸出電壓。
10.根據權利要求9所述的用于控制電源的方法，其特征在于檢測開路狀態。
11.根據權利要求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)中的電流調節器(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，其包括電流調節器，其包括在從電源到焊接電極的電壓反饋回路中；和斜坡產生器，其被配置以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B23K9/073GK103003020SQ201080067081
公開日2013年3月27日 申請日期2010年5月28日 優先權日2010年5月28日
發明者A·梅尼徹 申請人:依賽彼公司