短弧焊接系统的制作方法

专利名称：短弧焊接系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制短弧焊接的直流电弧焊接装置中的焊接电流的系统。本 发明尤其涉及一种用于控制短弧焊接的直流电弧焊接装置中的焊接电流的系统，其包括 电流调节器，其包括在电压反馈回路中；和斜坡产生器，其被配置以在短路期间提供电流斜 坡。此外，本发明涉及一种用于控制电源的方法。
背景技术：
本发明涉及一种用于控制短弧焊接的直流电弧焊接装置中的焊接电流的系统。短 弧焊接是气体保护金属极弧焊接中的金属转移模式，其中熔融金属滴将在金属转移的过程 中与熔化电极分开之前浸入焊接熔池中。
在气体保护金属极弧焊接中，熔化电极持续馈送向焊接区。通常来说，用于金属弧 焊接的系统包括焊接吹管、工件、电源、焊丝馈送单元和保护气体供应器。用于金属弧焊接 的系统还包括用于控制电源的焊接电流的系统。提供用于控制焊接电流的系统来为电源产 生参考电流。参考电流控制电源使得焊丝电极的熔化和熔融金属到工件的转移可视需要被 控制。焊接电流和电压被控制以确保呈所需金属转移模式来执行焊接。
在包括金属活性气体焊接(MAG)和金属惰性气体(MIG)焊接在内的气体保护金属 极弧焊接(GMAW)中，在工件与熔化焊丝电极之间建立电弧。在馈送焊丝到焊接熔潭时，弧 持续熔化焊丝。弧和熔融材料通过惰性气体流或活性气体混合物而与大气隔离。MIG和MAG 焊接过程通常用焊丝正极在D. C.(直流电)上操作。这已知为“反”极性。“正”极性较不 常使用，这是因为熔融金属从焊丝电极到工件的转移较差。在15V到32V的焊接电压下通 常使用50安培直到大于600安培的焊接电流。通过使用恒定电压电源和恒定焊丝馈送速 度，可以获得稳定的、自我校正的弧。持续的发展已使MIG工艺适用于所有商业上很重要的 金属的焊接，诸如钢、铝、不锈钢、铜和其它几种。
MIG和MAG焊接工艺在用于低生产应用和高生产应用的手动和自动金属接合中提 供许多优点。当与手动金属弧焊接(MMA)埋弧(SAW)和钨惰性气体(TIG)比较时，其组合 优点是
I)在所有位置都可焊接。
2)不需要去除熔渣。
3)高焊接金属沉积速率。
4)焊接完成的总时间约为敷料电极的1/2。
5)高焊接速度。工件扭曲较少。
6)闻焊接品质。
7)易于填充或桥接的大间隙，使得某些类型的修复焊接更有效。
8)没有如用杆电极那样的握柄料损失。
在MIG和MAG焊接技术中，在不同金属转移模式之间产生区别短弧转移模式、混 合弧(球状)转移模式、喷射弧转移模式和脉冲喷射弧转移模式。
在短弧转移模式期间，产生相当大的熔滴。熔滴将成长为其中其桥接电极与焊接 熔池之间的间隙的状态。电源的短路和弧的消失将立即发生。收聚效应将由斜坡产生器控 制来完成熔滴到焊接熔池的转移。短弧焊接是在相对低的电压和焊接电流下执行。
当焊接电流和电压增大超出短弧焊接所承受的最大值时，发生混合弧转移。尺寸 会变化的液滴是由短路和非回路液滴的混合物组成。这种金属转移模式不稳定，常有飞溅 和浓烟。
在喷射弧焊接模式中，小的熔滴从电极被随机转移。小的熔滴不会使弧短路。在 喷射弧焊接中，弧稳定且不会产生令人生厌的飞溅。
在脉冲喷射弧焊接模式中，通过控制脉冲焊接电流而从电极一个接一个地转移小 的熔滴而不会使弧短路。脉冲弧焊接需要复杂且昂贵的焊接装置。
短弧焊接是在相对低的电压和焊接电流下执行。焊丝的馈送速度适合焊接电流使 得熔融金属的液滴被转移到工件且与工件接触。液滴的尺寸应使得大致避免飞溅。
短弧焊接通常使用直径在.030英寸(.76毫米)到.045英寸(1.1毫米)范围内的 小焊丝，且在低的弧长度(低电压)和焊接电流下操作。获得小的快速凝固的焊接熔池。这 种焊接技术对于在任何位置接合薄材料、在垂直和仰焊位置接合厚材料，且对于填充大间 隙尤其有用。短弧焊接还应在需要工件的最小扭曲的情况下使用。金属仅在焊丝与焊接熔 池接触或在各自短路时才从焊丝转移到焊接熔池。焊丝使工件每秒钟短路20次到200次。
图1示意性地图示一个完整的理想短弧周期。熔融材料液滴生长在电极的端部。 当液滴接触焊接熔池(A)时，弧短路，焊接电流开始上升且液滴被转移。此后弧被重新点 燃。以容许液滴与焊接熔池的接触发生在液滴的分开之前的速度来馈送焊丝。在电极与焊 接熔池经由液滴接触期间，弧将通过另一短路(I)而熄灭。此后再次开始周期。在弧周期 期间无金属被转移；仅在短路时转移。在不发生所谓的开路状态的情况下周期才是理想的。
开路状态是当电极上既不存在弧也不存在短路时的状态。与弧状态比较，开路状 态在电极与工件之间电压更高。开路状态下的高电压能实现从短路状态到弧状态的更快转 变。
短弧焊接过程本质上是随机且难以控制的。短路阶段和燃弧阶段中的焊接过程的 控制具挑战性，且开路状态的发生给短弧焊接过程的控制增加了复杂性。开路状态通常不 被期望且随机出现。
在电压反馈回路中，电极与焊接熔池之间的电压被测量。测量电压与参考电压作 比较。电流调节器取决于感应电压与参考电压之间的差来调节输出电流，以便减少常规方 式中的调节误差。适宜地，PI调节器可用于这个目的。
在用于控制短弧焊接的先前技术系统中，燃弧阶段通常由与电流上升限制器串联 连接的电压调节器来控制电压。这导致难以控制弧状态和短路状态，这是由于电压调节器 会影响电流上升限制器且反之亦然。发明内容
本发明的目的是进一步改善用于控制短弧焊接装置中的焊接电流以便进一步稳 定短弧焊接过程的系统。
本发明的另一目的是提供一种用于控制短弧焊接的直流电装置中的焊接电流的系统，其利于在短弧焊接的燃弧阶段和短路阶段的精确控制。
这些目的是通过根据权利要求1的用于控制短弧焊接的弧焊接装置中的焊接电 流的系统来实现。用于控制焊接电流的所述系统包括电流调节器，所述电流调节器包括在 从电源到焊接电极的电压反馈回路中。
在短路焊接中，会随机出现开路状态。在开路状态期间存在过程的中断使得电极 上既不发生弧也不发生短路。在开路状态下，电极与工件之间存在开路电压。开路电压是 电源的嵌入式特征。在短路阶段期间或在燃弧阶段期间，开路电压通常大大高于工作电压。 在短弧焊接期间，开路状态发生在短弧范围的较低范围下，当平均电压和焊丝馈送速度很 慢时。在先前技术系统中，短弧焊接中的电源由来自电源的反馈回路中的电压调节器来控 制，所述调节器在短路阶段和燃弧阶段期间使用平均电压作为控制参数。开放回路状态增 大了平均输出电压。如果电源由在开路状态期间不补偿开放回路电压的电压调节器控制， 那么电压调节器会减小电源的输出电压。
电源的输出电压的减小缩短了燃弧阶段，从而造成更多开路阶段。因此，电压调节 器将操作情形认作为输出电压表面上是高的，但在焊接的生产阶段(即短路阶段和燃弧阶 段)期间实际上是低的。因此，系统将保持在其中经常发生开路状态的情况，这使得焊接效 率低并且品质低。
如在本发明的实施方案中所提出，通过在检测到开路状态时抑制误差信号进入电 流调节器，可以避免在开路状态期间高电压的误解。在弧形态的操作情况因此可以由电压 反馈回路中的电流调节器精确控制而不受随机出现的开路状态的影响。
特定来说，开路检测器可以连接到开关，所述开关被配置以取决于是否检测到开 路状态而连接所述电流调节器的输入端与所述减法节点的输出端或断开连接。
电源是恒定电流电源，其取决于进入参考电流而控制焊接电极与工件之间的电 流。在电压反馈回路中，焊接电压被感应到并且与参考电压值作比较来形成到包括在电压 反馈回路中的电流调节器的输入。在燃弧阶段期间，电极上的电压由电压反馈回路中的电 流调节器控制。因此，由于在燃弧阶段期间参考电流的电压反馈控制，恒定电流电源在燃弧 阶段期间被给定恒定电压特征。
斜坡产生器被配置以在短路阶段期间提供电流斜坡。在所述短路阶段期间提供的 电流斜坡被提供来完成熔滴到焊接熔池的转移。这是通过因电流斜坡引起的收聚效应来执 行。为了产生稳定的焊接状况，短路阶段期间焊接电流的形状很重要。需要对电流斜坡的 形状有良好控制来避免飞溅并且实现焊接过程的稳定控制。本领域技术人员熟知斜坡产生 器及其功能。因此，本领域技术人员可以常规方式选择斜坡产生器的组件来达到电流斜坡 的所需形状。由斜坡产生器产生的电流斜坡被增加到来自电压反馈回路中的电流调节器的 输出电流，来形成用于电源的参考电流。
短路阶段期间的电流响应很大程度上是造成焊接过程稳定性的原因。此处电流响 应意谓电极上的输出电流的变化取决于(例如)当发生短路时或当短路状态改变成弧状态 时发生的负荷的改变。电流响应取决于控制到电源的参考电流的反馈回路的结构以及取决 于由斜坡产生器提供的斜坡的形状。
通过分开斜坡产生器和电压反馈回路中的电流调节器并且使其并联配置，应易于 可行的是对弧状态下的弧的电压控制和短路状态中的电流控制。电压反馈回路中的电流调节器控制参考电流以便减少输出电压与参考电压之间的调节误差。电流调节器是PI调节 器，其使得能够控制平均电压。由于电流调节器中的集成使得来自电流调节器的响应很慢， 所以短路阶段期间输出电压的任何改变将不会造成来自电流调节器的输出电流的立即校 正。因此，电源在短路阶段期间将是电流受控制且在燃弧阶段期间是电压受控制，且因此在 燃弧阶段期间用作为恒定电压电源且在燃弧阶段期间用作为恒定电流电源。电流受控制意 谓电源的输出电流受控制。电压受控制意谓电源的输出电压受控制。到电源的参考电流是 来自所述电流调节器的输出电流和由所述电流调节器提供的电流斜坡之和。通过并联配置 斜坡产生器和电流调节器，利于精确控制参考电流，这是因为减少了电压反馈回路中的电 流调节器的影响。
电压反馈回路可包括减法节点，在所述减法节点因测量的弧电压与参考电压之间 的差而产生反馈误差。
电压反馈回路可包括开路检测器，所述开路检测器被配置来检测开路状态的存在 并且在检测到开路状态时抑制误差信号。
系统还可包括短路状态检测器，所述短路状态检测器具有用于检测短路状态的阈 值电平，所述阈值电平取决于供应到所述电源的参考电流的幅值。
本发明还涉及一种短弧焊接系统，其包括电源和连接到所述电源的焊接吹管，所 述电源由如上所述的系统所控制。
本发明还涉及一种用于控制短弧焊接的直流电弧焊接装置中的电源的方法，所述 直流电弧焊接装置包括电流调节器，其包括在从电源到焊接电极的电压反馈回路中；和 斜坡产生器，其被配置以在短路阶段期间在所述焊接电极处提供电流斜坡。在根据本发明 的方法中，在所述短路阶段期间控制电源的输出电流。在所述燃弧阶段期间控制电源的输 出电压。
根据本发明的方法使得能够在短路阶段期间良好控制电流斜坡的形状，同时使得 能够在燃弧阶段期间正向控制电压。
在本发明的实施方案中，检测到开路状态使得能够抑制在开路状态的周期期间的 调节误差。因此，开路状态将不会影响电流参考值，因此能够实现高精度地控制输出电压并 且防止在开路状态下参考电流由于电极与工件之间的高电压而漂移。


将参考附图描述本发明的实施方案，其中
图1展示最先进技术的短弧焊接过程的大体描述，
图2是根据本发明的用于控制短弧焊接的弧焊接装置中的焊接电流的系统的示 意图，和
图3展示焊接系统的示意图。
具体实施方式
图2展示用于控制短弧焊接的弧焊接装置20 (图3)中的焊接电流的系统12。
电压反馈回路13控制连接到恒定电流电源的焊接电极处的电压。
恒定电流电源包括电流反馈回路5a，电流反馈回路5a比较输出电流与由用于控制弧焊接装置20 (图3)中的焊接电流的系统12提供的参考电流。包括在恒定电流电源5 中的电流调节器取决于参考电流与输出电流之间的调节误差来控制电源的输出电流。
电压反馈回路13包括减法节点I，此处从节点I中的参考电压U#if中减去输出电压Um。输出电压Um与参考电压U#it之间的差构成调节误差E，其作为输入信号通过开关2 被输送到PI调节器3。
电压反馈回路13还包括电流调节器(优选的是PI调节器3)、开关2和开路状态检测器6。
开关2由来自开路状态检测器6的信号所驱动，开路状态检测器6包括低通滤波器6a和比较器6b。开路电压阈值是在超过该值仅可能是开路状态的阈值电平。电流调节器3具有连接到开关2的输入端3a。当由开路状态检测器6感应到开路状态时，开关2打开。因此，PI调节器的输入电压(所述输入电压对应于调节误差)将设定为零。
因此，PI调节器3将认为电极与工件上的电压在开路状态期间是适当的。当到PI 调节器的输入信号在开路状态期间被抑制时，PI调节器将保持其现有状态并且内部电荷和来自PI调节器的输出电流都不会改变，如此，电压调节反馈回路将不考虑在非燃弧阶段期间的增大的反馈电压。
在求和节点4中，发送参考电流信号I _到电源5，来自PI调节器3的信号被添加到来自斜坡产生器11的信号。
短路状态是由短路检测器7感应，短路检测器7包括低通滤波器8和比较器10。 当检测电压^低于可取决于参考电流的阈值Uiwt时，斜坡产生器接通来产生电流斜坡。
比较器10的阈值可以取决于电流。通过添加与参考电流成比例的信号和零电流阈值电压Us. c. ο而在求和节点9中建立阈值信号。当短路检测器检测到短路状态时， 斜坡产生器11将产生具有预定上斜坡和下斜坡的额外斜坡电流1# 。
图3示意性地表示用于短弧焊接的弧焊接装置20。短弧焊接系统20包括电源21、 焊接控制系统22、焊丝卷筒23、焊丝馈送电机24、保护气体供应器25和焊接吹管26。图中的系统被设定用于对焊接件27执行焊接操作。
根据本发明的用于控制焊接电流28的系统连接到电源用于在操纵期间控制所述焊接电流。用于控制焊接电流28的系统可方便地整合到电源21的外壳中。
电源的输出电压和焊接电流可以由图2中描述的电路来控制。任选经由焊接控制系统22，来自电源的一条电力电缆29a连接到工件27且另一条29b连接到焊接吹管26的电极32。
保护气体供应器25通过管系统连接到焊接吹管2。气体量可以经由焊接控制系统 22来调节。
另外，冷却通道可存在于焊接吹管中。冷却液体入口和出口通道30，31可以连接到焊接吹管中的冷却通道。
焊丝馈送电机24在操作期间控制焊接电极的馈送。
权利要求
1.一种用于控制短弧焊接的直流电弧焊接装置(20)中的焊接电流的系统(12)，其包括电流调节器⑶，其包括在从电源(5)到焊接电极(32)的电压反馈回路(13)中；和斜坡产生器(11)，其被配置以在短路阶段期间在所述焊接电极(32)处提供电流斜坡，所述系统(12)的特征在于所述电压反馈回路(13)包括开路检测器(6)，所述开路检测器(6)被配置来检测开路状态的存在并且当由所述开路检测器(6)检测到开路状态时抑制反馈误差(E)。
2.根据权利要求1所述的用于控制焊接电流的系统，其特征在于所述开路检测器(6)连接到开关(2)，所述开关(2)被配置以取决于是否检测到开路状态而连接所述电流调节器(3)的输入端(3a)与所述减法节点(I)的输出端或断开连接。
3.根据权利要求1所述的用于控制焊接电流的系统，其特征在于所述电流调节器(3)和斜坡产生器(11)并联连接并且提供用于所述电源(5)的参考电流到所述焊接电极(32)。
4.根据权利要求3所述的用于控制焊接电流的系统，其特征在于所述参考电流是来自所述电流调节器⑶的输出电流(IimfJ和所述斜坡产生器(11)提供的电流斜坡(I斜坡)之和。
5.根据权利要求3或4所述的用于控制焊接电流的系统，其特征在于所述电压反馈回路(13)包括减法节点(I)，在所述减法节点(I)因测量的弧电压(Um)与参考电压之间的差而产生反馈误差(E)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于控制焊接电流的系统，其特征在于所述电流调节器⑶是PI调节器。
7.根据前述权利要求中任一项所述的用于控制焊接电流的系统，其特征在于所述系统(12)还包括短路状态检测器(7)，所述短路状态检测器(7)具有用于检测短路状态的阈值电平(Uiwt)，所述阈值电平(Uiwt)取决于供应到所述电源(5)的所述参考电流(1_)的幅值。
8.一种直流短弧焊接系统(20)，其包括电源(5)和连接到所述电源(5)的焊接吹管(26)，所述直流短弧焊接系统(20)的特征在于所述电源由根据权利要求1至7中任一项所述的用于控制焊接电流的系统(12)所控制。
9.一种用于控制短弧焊接的直流电弧焊接装置(20)中的电源(5)的方法，所述直流电弧焊接装置(20)包括电流调节器(3)，其包括在从电源(5)到焊接电极(32)的电压反馈回路(13)中；和斜坡产生器(11)，其被配置以在短路阶段期间在所述焊接电极(32)处提供电流斜坡，所述方法的特征在于在所述短路阶段期间控制电源的输出电流并且在燃弧阶段期间控制输出电压。
10.根据权利要求9所述的用于控制电源的方法，其特征在于检测开路状态。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于当检测到所述开路状态时抑制反馈误差(E)输入到所述电压反馈回路(13)中的电流调节器(3)。
全文摘要
一种控制用于短弧焊接的弧焊接装置中的焊接电流的系统，其包括电流调节器，其包括在从电源到焊接电极的电压反馈回路中；和斜坡产生器，其被配置以在短路阶段期间在所述焊接电极处提供电流斜坡。
文档编号B23K9/073GK103003020SQ201080067081
公开日2013年3月27日 申请日期2010年5月28日 优先权日2010年5月28日
发明者A·梅尼彻 申请人:依赛彼公司