专利名称：电弧焊和弧光等离子体切割机的制作方法
技术领域：
本发明涉及改进的电弧焊和弧光等离子体切割机以及应用于电弧焊和弧光等离子体切割机的直流高压发生器。
图1表示一个传统的用于电弧焊和弧光等离子体切割机的直流高压发生器。
直流高压发生器通常包括第一直流电源1、第二直流电源2、单向整流器(即二极管)3、起动开关6、输出端10a和10b以及壳体9。输出端10a和10b通过具有分布电容7的电缆线18连接到电极4和工件5。
操作时，接通起动开关6使第一和第二直流电源1和2工作。第二直流电源2产生的直流电压叠加在第一直流电源1产生的电源上，然后施加到电极4和工件5两端，在两者之间产生电弧放电。
如图2所示，第二直流电源2包括电压发生器200，控制电路203和降压电阻205。
当起动开关6接通时，约4.5千伏的直流电压加到电极4和工件5，使分布电容7充电。当放电进行时，将经由输出端10a和10b输出脉宽约1μ、峰值约10A的电流Io。由于降压电阻205的作用，此时第一直流电源1的输出电压降至零左右，故停止电弧放电。接着，放电电容7再次通过降压电阻205充电。当放电电容7的充电电压超出电弧电压时，将使电流Io再次流出放电电容7。该周期反复产生电流Io和输出电压Vo如图3(a)和3(b)所示。
1996年12月10日公布的，Hagiwara等人申请的第5,582,751号美国专利和第2-34277号日本专利公报披露了一种直流电压叠加系统，用于电弧焊机诸如TIG(钨极惰性气体保护电弧焊)焊机，该两篇专利文献在本文中作为参考资料引用。然而，该直流电压叠加系统存在以下缺陷。
当第二直流电源2提供直流电压时，单向整流器3禁止其进入第一直流电源1。然而，施加的直流电压大于单向整流器3的耐压时，可以使单向整流器3击穿。尤其当反向耐压低于第二直流电源输出电压的多个单向整流器串联连接时，由于单向整流器各自的性能变化不同，这就变得难以在单向整流器间均匀地分布反向电压。为了避免这一困难，需要用足够数量的单向整流器来补偿其各个性能变化；这将导致系统总成本的提高。
单向整流器3的击穿可以使直流电压加到其上，由此造成第一直流电源1的损坏。为此，必须保护单向整流器3以防止直流电压的施加。
通常，大尺寸构件的焊接需要极长的电缆线。该电缆线呈现较大的分布电容。图4表示电弧焊或弧光等离子体切割机进行电弧放电时，放电电流Io的流动。放电电流Io为流出第二直流电源2的电流Il与流出分布电容7的电流Ic之和。从图中可见，分布电容7越大，电流Ic越大。因此，如电焊工遭电击时，贮存在分布电容7内的大量电荷将流经电焊工的人体。故流出第二直流电源2的电流Il必须限于对人体是安全的水平(例如按IEC479标准规定的10mA左右)而无偏差。通过降压电阻与第二直流电源2的串联连接，可以使流出第二直流电流2的电流Il保持在安全水平以下。然而，电流Il经由电极4至工件5延伸的路径流动，并沿反向从单向整流器3泄漏。当采用市售的单向整流器时，有几百安培的电流流经它，随着安培数的变化，反向上有几个毫安的电流从单向整流器泄漏。
随着单向整流器3的泄漏电流的增加，加到电极4和工件5的输出电压因降压电阻205而衰减，如图12所示。对电弧焊和弧光等离子体切割机而言，这是一种共性。如图5所示，输出电压的衰减影响到成功地进行电弧放电的百分率。因此，必须降低反向流出单向整流器3的电流。
图6表示当电焊工忘记在输出端10与工件5之间连接电缆线时，错误地使用高压发生器的例子。除了电涌保护电容器110外，所示直流高压发生器基本上采用如上相同的构造，该电涌保护电容器110常用于传统的焊接和切割机，防止电涌经由另一台设备的输出端口进入焊接或切割机。
当直流高压发生器其输出端10未连接到工件5就工作时，它将使电流IE经由电涌保护电容器110，从第二直流电源2流向地，而电涌保护电容器110充电。当电焊工在连接电缆线时触及输出端106时，可以使贮存在电涌保护电容器110内的电荷放电，这样，电焊工将遭到电击。
图7表示另一种传统的直流高压发生器，除了并联输出阻抗71外，它基本上采用与图1所示相同的电路结构。电弧焊和弧光等离子体切割机可以用冷水冷却电极4。这种冷却水所呈现的水阻抗相当于插在输出端10a与10b之间的输出阻抗71。这是由于冷却水、电缆线18和电极4构成了一条循环通路。
如前所述，第二直流电源2为安全防电击提供了降压特性(即电阻205)。例如，如果降压特性用图8中“A”所示的电压降表示，由于达1兆欧的输出阻抗71的作用，工作点将出现在AL，这样，第二直流电源2的输出电压将降至零左右，由此导致电弧放电发生故障。
如果第二直流电源2的降压特性用图8中“B”所示的电压降表示，由于达1兆欧的输出阻抗71的作用，工作点将出现在BL，故电压降由4.5千伏减到一半。这种程度将允许平滑地进行电弧放电，但如果电焊工触及电极4时，也可能造成电击。
尤其是，如图9所示，在降压特性A的情况下，放电电流未超出电弧放电许可范围内的安全限度，但电压降是由输出阻抗71产生的，导致电弧放电的失效。在降压特性B的情况下，即使存在小的输出阻抗，也确保了进行电弧放电的性能，但放电电流超过安全界限。
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷。
根据本发明的一个方面，提供一种电弧焊或弧光等离子体切割机，它包括(a)一对电极；(b)将直流电压施加在与所述电极相连的第一和第二输出端之间的第一直流电源；(c)设置在第一直流电源与第一输出端之间的单向整流电路；(d)连接在第一和第二输出端之间的第二直流电源，该第二直流电源将直流电压叠加在第一直流电源产生的电源上，在所述电极之间进行电弧放电；以及(e)并联连接到单向整流器的电压箝位电路。
在本发明的较佳实施例中，提供第一壳体和第二壳体。第一壳体中设置第一直流电源。第二壳体中设置单向整流电路、第二直流电源以及经由电缆线连接到第一直流电源的电压箝位电路。
也可以另一种方式提供壳体，其中设置第一直流电源、单向整流电路、第二直流电源以及电压箝位电路。进一步可提供一种充电保护电路，将其连接在第二输出端与壳体之间。
电压箝位电路设计成当单向整流电路两端施加一个反偏电压时，使单向整流电路的反向漏电流的最大量限制在1毫安以下。
单向整流电路包括串联连接的多个单向整流器，电压箝位电路包括分别并联连接到单向整流器的多个电压箝位元件。
充电保护电路包括一个由电阻器、电感器和电压箝位元件之一组成的电路。
第二直流电源包括电压发生器、电容电路、放电检测器和控制电路。电容电路根据第一和第二输出端两端的电压电平充电和放电。放电检测器检测电容电路的放电，提供其一个信号指示。控制电路响应于放电检测器的信号，使电压发生器在一个预定时期内不工作。
第二直流电源的控制电路可以包括一个定时电路，它响应于起动开关的起动信号输入，使第一直流电源和第二直流电源的电压发生器两者或两者之一工作，如果第一直流电源未能在给定的时期内进行电极之间的放电，则在起动信号输入到控制电路之后的一个给定的时期期满后，使第一直流电源和第二直流电源的电压发生器两者或两者之一不工作。
第二直流电源可以包括电压发生器、第一电路和第二电路。第一电路包括电容电路、放电检测器和控制电路。第二电路包括电容电路、放电检测器和控制电路，第一和第二电路的每个电容电路根据第一和第二输出端两端的电压电平充放电。每个放电检测器检测相应一个电容电路的放电，提供其信号指示。每个控制电路相应于相应一个放电检测器的信号，使电压发生器在一个预定时期内不工作。
从本发明以下的详细描述中以及较佳实施例的附图中，将可更完整地了解本发明，然而，它们仅仅用以解释和理解本发明，而不是用来将本发明局限于特定的实施例。
附图中图1是一个方框图，它表示用于电弧焊或弧光等离子体切割机的一个传统的直流高压发生器；图2是一个方框图，它表示图1所示直流高压发生器中第二直流电源的一个电路结构；图3(a)是表示输出电压变化的时序图；图3(b)是表示放电电流变化的时序图；图4是一个方框图，它表示放电电流流经连接到工件的电缆线；图5是一个曲线图，它表示成功进行电弧放电的百分比与电极和工件两端电压之间的相互关系；图6是一个方框图，它表示当电缆线未连接在工件与输出端之间时，一个传统的直流高压发生器的电路配置；图7是一个方框图，它表示用于电弧焊或弧光等离子体切割机的另一种传统的直流高压发生器；图8是一个曲线图，它表示输出电压与输出电流之间的关系；图9是一个曲线图，它表示放电电流与电极和工件之间的距离之间的关系；图10是一个方框图，它表示根据本发明用于电弧焊或弧光等离子体切割机的一种直流高压发生器；
图11是一个方框图，它表示根据本发明第二个实施例的一个直流高压发生器；图12是一个曲线图，它表示输出电压与单向整流器反向漏电流之间的关系；图13是一个方框图，它表示根据本发明第三个实施例的一个直流高压发生器；图14是一个方框图，它表示根据本发明第四个实施例的一个直流高压发生器；图15(a)是一个方框图，它表示根据本发明第五个实施例的第二直流电源的电路结构；图15(b)是一个电路图，它表示本发明第六个实施例，它是图15(a)所示的第二直流电源的一种修改形式；图16(a)是表示输出电压的时序图；图16(b)是表示图15(a)中一个开关元件204之操作的时序图；图16(c)是表示放电电流的时序图；图16(d)是表示起动开关通—断操作的时序图；图17是一个方框图，表示本发明的第七个实施例；它是图15(a)所示第二直流电源2的一种修改形式，以及图18是一个方框图表示本发明的第八个实施例，它是图10所示直流高压发生器的一种变换形式。
现在参见附图，尤其参见图10，它表示根据本发明用于电弧焊和弧光等离子体切割机的一种直流高压发生器。
直流高压发生器通常包括第一直流电源1、第二直流电源2、单向整流器3、起动开关6、电压箝位元件8、充电保护电路11、输出端10a和10b、以及壳体9。第一直流电源1和第二直流电源2基本上分别用与图1所示相同的电路结构。尤其是，第一直流电源1具有一种降压特性或准恒压性能。第二直流电源具有降压特性。
输出端10a和10b经显示有分布电容7的电缆线18连接到电极4和工件5。充电保护电路11包括电阻器、电感器或电压箝位元件，它连接在由第二直流电源2延伸至端10的线路与壳体9的内壁之间。电压箝位元件8设置在单向整流器3的两端。
操作时，接通起动开关6，使第一和第二电源1和2工作。由第二直流电源2产生的直流电压叠加在第一直流电源产生的电源上，然后施加在电极4和工件5两端，在其间进行电弧放电。
所施加的直流电压大于加到电压箝位元件8的钳位电压时，将使电压箝位元件8导通，防止高于钳位电压的电压施加到单向整流器3。这将使输出端10a和10b的电压限制在钳位电压以下。
图11表示直流高压发生器的第二个实施例，它包括第一和第二电压发生器100和250。与第一个实施例所用相同的部件用相同的标号表示。
第一电压发生器100包括第一直流电源1、充电保护电路11和壳体95。第二电压发生器250包括单向整流器3、电压箝位元件8、第二直流电源2、第二充电保护电路110(其结构与充电保护电路11相同)以及便携式壳体90。第一直流电压电源1的输出端10a和10b经由电缆线19连接到壳体90内的输入端101a和101b，后者连接输出端100a和100b。电极4直接设置在壳体90上。其它配置与图10所示相同，故省略对其的详细描述。
单向整流器3用以防止第二直流电源2的高压输出加到电缆线18上，故分布电容7未充电。这样，即使操作工误触电极4，也无放电电流从分布电容7流到操作工，由此保护操作工免遭电击。
图12是一个曲线图，它表示直流高压发生器的输出电压与整流器3反向漏电流(以下称为反向漏电流)之间的关系。该曲线图表明当最大反向漏电流为1毫安以下时，输出电压约为4.5千伏。图5表示当电极4与工件5两端的电压为4.5千伏时，成功进行电弧放电的百分比将约为100％。尤其是，可实现一种稳定的起动操作。
图5中，按以下的规格测量电弧放电1.输出电流为50安培2.电极4直径为2.4毫米，由含钍的钨制成3.每分钟用5升氩气4.电极4与工件5之间的距离为3毫米。
图13表示直流高压发生器的第三个实施例。与上述实施例相同的部件采用相同的标号。
本实施例的直流高压发生器具有并联连接的第二单向整流器30和第二电压箝位元件80。第二单向整流器30与整流器3串联连接。第二电压箝位元件80也与电压箝位元件8串联连接。单向整流器3与30之间的接点连接到电压箝位元件8与80之间的接点。此种配置建立了一种耐压，能耐加到单向整流器3和30上的直流高压。也可以利用3或多个整流器以及3或多个电压箝位元件进一步提高耐压。
图14表示直流高压发生器的第四个实施例。其中与上述实施例所用相同的部件用相同的标号表示。
本实施例的直流高压发生器具有电涌保护电容器110，它跨接在充电保护电路1的两端。工件5接地。
当电缆线未连接在图5所示的工件5与输出端10b之间时，存储在电涌保护电容器110中的电荷在图14中用“+”和“-”表示。如果不用充电保护电路11，存储在电涌保护电容器110内的电荷仅仅通过电涌保护电容器110的自身放电而消除。这样，如果操作工站在地上触及输出端10b，则操作工可能遭到电击。为了避免这种情况，该实施例在电涌保护电容器110两端设置了充电保护电路11，用以迅速释放存储在电涌保护电容器110内的电荷即造成放电电流Im的流动。
图14中，用一个电阻器表示充电保护电路11，但本实施例并不局限于此。充电保护电路也可以包括除电阻器外的非容性元件。
图15(a)表示根据第五个实施例的第二直流电源2的电路结构，它也可以用于上述的实施例。
第二直流电源2包括电压发生器200、电容电路201、放电检测器202、以及包含开关元件204和降压电阻器205的控制电路203。
当未加电负载时，电容电路201仅仅充电，放电电流Iy不经电容电路201流动，由此使开关元件204闭合，如图16(b)所示。如图16(a)所示，当电弧放电在电极4与工件5两头进行时，它将使充电电流Iy流出电容电路201。然后，放电检测器202检测放电电流Iy的流动，以接通控制电路203。然后，控制电路203将开关元件204断开一个给定时期TOFF，如图16(b)所示，故电压发生器200不再提供电压输出。在给定的时期TOFF期满后，开关元件204再次闭合一个给定时期TON，由此使电压发生器200将电压施加到电极4与工件5两头进行电弧放电，如图16(a)所示。它还使开关元件204再次断开，阻止电压发生器200输出电压。这些重复操作形成周期性的电弧放电。
图15(b)表示第六个实施例，它是图15(a)所示第二直流电源2的一种修改形式。
该实施例的第二直流电源设计成这样当第一直流电源1在预定时期Th内未造成电极4与工件5之间电弧放电，则使第一和第二直流电源1和2两者或其中一个不工作，该预定时期Th对应于接通起动开关6以后的几个电弧放电周期。
控制电路203包括定时器300，它在接通起动开关6时对预选的时期Th计数，并在该预选的时期期满后关断开关元件204。控制电路203同时提供一个关断信号，使第一直流电源1不工作。
可以用电流检测器监测通过第一直流电源1进行的电弧放电，该电流检测器在一般的电弧焊和弧光等离子体切割机中是通用的，故省略其详细解释。
图17表示第七个实施例，它是图15(a)中第二直流电源2的一种修改形式。
该实施例的第二直流电源2包括两个电容电路201、两个放电检测器202、以及两个控制电路203，用以补偿电容电路201、放电检测器202和控制电路203中的任一个发生故障。
电容电路201和放电检测器202并联设置在输出端10a和10b的两端。控制电路203串联设置在延伸至输出端10b的线路中。
图18表示第八个实施例，它是图10所示直流高压发生器的一种修改形式。
第二直流电源2设置成将输出电压施加在单向整流器3的两端，并经由第一直流电源1施加在输出端10a和10b两头。由于第一直流电源1的电压电平和内阻比第二直流电源2的小得多，故实际上可以达到与上述实施例相同的效果。
所示的电路结构可以应用于上述所有的实施例。
尽管以上为便于更好地理解本发明采用较佳实施例对本发明进行了描述，但显然在不脱离本发明精神的情况下还可以以其它各种方式来实施本发明。因此，本发明还应理解成包括所有可能的实施例以及对所示实施例的各种修改，它们可以在不脱离本发明原理的情况下实施，并由所附的权利要求书所限定。
权利要求
1.一种电弧焊或弧光等离子体切割机，其特征在于包括一对电极；将直流电压施加在与所述电极相连的第一和第二输出端之间的第一直流电源；设置在第一直流电源与第一输出端之间的单向整流电路；连接在第一和第二输出端之间的第二直流电源，所述第二直流电源将直流电压叠加在第一直流电源产生的电源上，在所述电极之间进行电弧放电；以及并联连接到单向整流器的电压箝位电路。
2.如权利要求1所述的电弧焊或弧光等离子体切割机，其特征在于进一步包括第一壳体和第二壳体。第一壳体中设置第一直流电源。第二壳体中设置单向整流电路、第二直流电源以及经由电缆线连接到第一直流电源的电压箝位电路。
3.如权利要求1所述的电弧焊或弧光等离子体切割机，其特征在于，所述电压箝位电路设计成当单向整流电路两端施加一个反偏电压时，使单向整流电路的反向漏电流的最大值限制在1毫安以下。
4.如权利要求1所述的电弧焊或弧光等离子体切割机，其特征在于，所述单向整流电路包括串联连接的多个单向整流器，所述电压箝位电路包括分别并联连接到单向整流器的多个电压箝位元件。
5.如权利要求1所述的电弧焊或弧光等离子体切割机，其特征在于进一步包括一个壳体，其中设置所述第一直流电源、单向整流电路、第二直流电源、电压箝位电路、以及连接在第二输出端与所述壳体之间的充电保护电路。
6.如权利要求5所述的电弧焊或弧光等离子体切割机，其特征在于，所述充电保护电路包括电阻器、电感器和电压箝位元件之一。
7.如权利要求1所述的电弧焊或弧光等离子体切割机，其特征在于，所述第二直流电源包括电压发生器、电容电路、放电检测器和控制电路，电容电路根据第一和第二输出端两端的电压电平充电和放电。放电检测器检测电容电路的放电，提供其一个信号指示。控制电路响应于放电检测器的信号，使电压发生器在一个预定时期内不工作。
8.如权利要求7所述的电弧焊或弧光等离子体切割机，其特征在于，所述第二直流电源的控制电路包括定时电路，它响应于起动开关的起动信号输入，激励第一直流电源和第二直流电源的电压发生器两者或任一个，如果第一直流电源未能在给定的时期内进行电极之间的放电，则在起动信号输入到控制电路之后的一个给定的时期期满后，使第一直流电源和第二直流电源的电压发生器两者或其中一个不工作。
9.如权利要求1所述的电弧焊或弧光等离子体切割机，其特征在于，所述第二直流电源包括电压发生器、第一电路和第二电路，第一电路包括电容电路、放电检测器和控制电路，第二电路包括电容电路、放电检测器和控制电路，第一和第二电路的每个电容电路根据第一和第二输出端两端的电压电平充放电，每个放电检测器检测相应一个电容电路的放电，提供其信号指示，每个控制电路相应于相应一个放电检测器的信号，使电压发生器在一个预定时期内不工作。
全文摘要
一种电弧焊和弧光等离子体切割机，包括一对电极，第一直流电源、第二直流电源、单向整流器和电压箝位电路。第一直流电源经由单向整流器将直流电压加到电极和工件之间。第二直流电源接在第一直流电源两端并将直流电压叠加在第一直流电源的电源上，在电极与工件之间进行电弧放电，电压箝位电路并联到单向整流器，将加到单向整流器的高压限制在给定的电平下，保护单向整流器免遭高压而损坏。
文档编号B23K10/00GK1156073SQ9611797
公开日1997年8月6日 申请日期1996年12月27日 优先权日1995年12月28日
发明者田中义朗, 萩原清吾, 大崎宪和, 木元一夫, 河合直树 申请人:松下电器产业株式会社