高频电阻焊接装置的输入热量自动控制系统及控制方法

专利名称：高频电阻焊接装置的输入热量自动控制系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及高频电阻焊接装置的输入热量自动控制系统及控制方法，说得更详细一点，涉及对制作电焊钢管时所用的电阻焊接装置进行控制以改善焊接质量的控制装置和方法。
一般说，作为用电阻热使金属的焊接部位熔融而进行焊接的电阻焊接，有使焊接部位相互重叠进行焊接的点焊机(spot welding)、凸焊机(projection welding)、线焊机(seam welding)、有使焊接部位对置进行焊接的电阻对焊机(butt welding)、火花对焊机(flash butt welding)、滚对焊机(butt seam welding)、冲击焊机(percussion welding)和使金属直接熔融进行焊接的锡焊机等等。
这种分类是为了方便起见按焊接方式进行的分类，但要是按着向焊接机供电的供电方式来分类则一般说有交流单相式、低电抗式和蓄热式等等，要是按供给加到焊接部位上的压力的方式分类，则有人工加压式、电动加压式、空气加压式、油压加压式、电磁加压式等等。而若按控制方式来分类则有非同步控制式、准同步控制式、同步控制式、计算机控制式等等。其中，作为计算机控制方式又可以区分为输入电压控制、焊接变压器输入电流控制、焊接电流控制、熔核(nugget)电压控制、焊接功率控制、加力和功率控制、焊接条件选择控制和熔核控制方式等等。
这样的种种的电阻焊接机都是采用在被焊接物之间的接触部位产生的电阻来供给大电流的办法，用所产生的电阻热来焊接被焊接物的，其焊接原理如下。
由电阻产生的电阻热(Q)为0.24I2Rt(卡)，所产生的电阻热正比于电阻(R)和电流(I)的平方而产生。因此，供往被焊接物的电流量应该大，为使供往被焊物的电流量大，可以用降至低电压后进行供电的办法，以低功率(NA)来供给大电流。
另一方面，若使两片被焊接物相互重叠、在相应的位置使电极触头(tip)接触进行供给电流，则被焊接物的接触部位的电阻最高，其次被焊接物与电极触点之间的接触部位高，而被焊接物的本体部位具有最低的电阻。因此，若用电极触头供给电，则结果将变成在被焊接物之间的接触部位将产生最多的热，其次，按电极触头与被焊接物之间的接触部位、被焊接物的本体部位的顺序产生很多的热。
另一方面，为了使在被焊接物上产生热以进行相互熔融接合，需要对被焊接物加以适当的压力，并根据被焊接物的金属的特性，只要采用适当地调节所供电流的大小和持续时间等等，就可以良好地保持焊接质量。
在具有这样的一般特性的电阻焊接法当中，本发明所涉及的高频电阻焊接机是用向焊接部位供给高频电流的办法，进行感应电流的感应加热使被焊接物溶融的焊接机，当所供电流的频率为300～1000KHz的高频，且使触头与被焊接物接触并供给电流时，结果将变成以触头为中心形成最短距离的闭合回路，在该部分产生感应加热现象而使被焊接物熔融。
由于这种高频电阻焊接的焊接速度非常快且焊接缺陷的产生频度低，故多用于电焊钢管的制造中。特别由于高频电阻焊接很经济且焊接质量优良，故多在石油和气体输送管、油井管、机械构造用钢管之类的要求高质量的部分中应用。因此，在这样重要的用途中所使用的电焊钢管应当严格地管理其焊接部位的缺陷。
现在，为使以高频电阻焊接法所制造的钢管的焊接部缺陷的产生频度数最小化。开发一种使用了自动地调节输入热量的输入热量自动控制装置，该输入热量自动控制装置是一种先检测影响焊接质量的焊接速度、带钢的厚度等等的主要焊接变量，然后自动地调节焊接输入热量使之维持满意的焊接条件的装置。
作为高频电阻焊接法的输入热量自动控制装置，根据所用的反馈信号的种类，可以应用采用使振荡频率变化的方法，采用焊珠(bead)的形状的方法和采用焊接温度或者其分布的方法等等，特别是新日本制铁所开发使用的应用振荡频率的方法(日本国特许平3-34432、昭52-111851)把振荡频率的变化作为反馈信号来自动地调节焊接输入热量。即，应用于随着焊接输入热量的增加使振荡频率的变动幅度逐渐增加直至最大。若再使焊接输入热量进一步增加则振荡频率的变动幅度再次减少的原理。因此，是一种使焊接输入热量维持在振荡频率的变化为最大的第2种区域中以自动地维持满意的焊接条件的方法。
但是，这种方法存在着要求熟练的技术的缺点和因烦琐的操作过程使生产率降低的问题，这是因为在焊接作业开始时，即要使焊接输入热量从最小变化至最大，还要一一设定对所焊材料的厚度和焊接速度满意的焊接范围。
本发明的目的是为了解决这种现有技术的问题，通过控制供往高频电阻焊接装置的焊接输入热量，采用测定在焊接部位产生的火花的频度数和大小，并把它作为反馈信号进行控制的办法，提供一种更为便利且可以精密控制焊接输入热量的高频电阻焊接装置的输入热量自动控制系统。
本发明为了达到上述目的，提供一种高频电阻焊接装置的输入热量自动控制系统，其特征在于该系统包括接收装置，用于检测由在焊接部位产生的火花形成的电磁波；火花信号处理部分，用于从通过上述接收装置而接收到的火花信号中，仅仅选择所需信号、分离振幅成分和频率成分并加工成规定的形态输出；热产生器，被安装到被焊接物上并使之产生熔融热；振荡部分，用于使供往上述热产生器的高频电流振荡并输出；焊接机控制器，用以控制供往上述振荡部分的电流量和频率；焊接机功率控制器，用于控制上述焊接机控制器的输出；主控制部分，用于通过上述火花信号处理部分反馈接受火花信号，并用焊接机功率控制器来控制焊接机的功率使之变成最佳焊接条件。
简单说明附图。


图1是模式性地示出用高频电阻焊接装置制造电焊钢管时的电流的流动状态的状态图。
图2是表示本发明的高频电阻焊接装置的输入热量自动控制系统的构成的方框图。
图3是按区域分开示出因焊接输入热量的变化而产生的火花的振幅和产生频度数变化的图表。
图4是表示本发明的另一发明的高频电阻焊接装置的输入热量自动控制方法的顺序图。
实施方案依据本发明的一个实施例详细地说明本发明的高频电阻焊接装置的输入热量自动控制系统及控制方法的构成和作用。
附图1的状态图模式性地示出了用高频电阻焊接装置制造电焊钢管时的电的流动状态；图2的方框图示出了本发明的高频电阻焊接装置的输入热量自动控制系统的构成；图3的图表示出了按区域分类的因焊焊输入热量的变化而产生的火花的振幅和发生频度数的变化；图4的顺序图则示出了本发明的另一发明的高频电阻焊接装置的输入热量自动控制方法。
首先，在说明本发明的高频电阻焊接装置的输入热量自动控制系统的构成之前，当研究用高频电阻焊接法焊接金属时所产生的火花的特性时，若根据用高频电阻焊接法焊接被焊接物时用高速照相机观察到的结果，则可以观察到在焊接点附近，在两片带钢边沿之间将产生火花。即，加在带钢上的高频电流使带钢的边沿熔融，借助于1000～3000安左右的电流使已熔融的金属边流动边等离子线柱不稳定地(pinch Instability)接触以使之产生火花。
已观察到随着焊接输入热量的增加这样的火花的产生频度数渐渐增加直至最高值之后，当焊接输入热量再增加时频度数将减少的现象。
另外，对于火花的大小。也观察到了随着焊接输入热量的增加而增加的现象，且当因焊接输入热量增加同时产生多个火花时火花的大小将减小的现象。
倘模式性地示出这样的过程。则如图1所示，随着焊接输入热量(It)的增加，被熔融的金属量增加，结果变成为在远离焊接部位21的部分上面被熔融的金属将形成桥架(Bridge)22。这时，焊接电流的一部分(I2)将通过已形成的桥架流动，桥架边高速地被加热边产生火花。因此，由于熔融金属的桥架的生成离焊接点越远，电流流经的路径差越大，故通过桥架而流动的电流比率(I2/It)将变得比通过焊接点流过的电流量(It)大，因此，火花的大小了将增加。
因此，倘观察火花的产生频度数和大小，就可以间接地测定焊接输入热量。
因此，为了控制焊接输入热量，若测定并控制在焊接部位产生的火花的产生频度数和大小则将变成更有效的方法。
本发明是涉及通过上述那样的焊接输入热量的变化使用火花的特性来控制焊接输入热量的装置，且高频电阻焊接装置的输入热量自动控制装置的构成，如图2所示环形天线70，用于检测由在焊接部位产生的火花形成的电磁波；火花信号处理部分3，用于从通过上述环形天线70接收到的火花信号中仅仅选择所需的信号，分离振幅成分和频率成分，加工成规定的信号形态后输出；感应线圈61，被安装于被焊接物上并使之产生熔融热；振荡部分6，用于使供往上述感应纯圈61的高频电流振荡并输出；焊接机控制器5，用于控制供往上述振荡部分6的电流量和频率；焊接机功率控制器4，用于控制上述焊接机控制器5的输出；主控制部分1，连接到上述火花信号处理部分3和焊接机功率控制器4上，反馈接受火花信号以控制焊接机的功率获得最佳焊接条件。
其中，上述火花信号处理部分3由下述部分构成火花探测器31，用于检测由上述感线圈61产生的热熔融而在焊接部位产生的火花的信号，从环形天线70输入接受信号，并将有效的信号进行滤波和放大之后输出；信号分离部分32，用于把从上述火花探测器输出的信号分离成振幅信号和频率信号后输出；火花频率信号处理部分33，用于输入接受已被上述信号分离部分32分离后的频率信号并加工成规定的数据形态输出；火花振幅信号处理部分34，用于输入接受经上述信号分离部分32分离后的振幅信号并加工成规定的数据形态后输出；模/数转换器(ADC)35，用于把从上述火花频率/振幅信号处理部分33，34输出的模拟信号转换成数字信号后输出；微处理器36，用于借助于上述主控制部分1的控制，控制上述火花探测器31的动作并把上述ADC35的输出变换成串行数据后输出。
上述焊接机功率控制器4用于控制上述焊接机控制器5的输出，由ADC43，DAC42和微处理器41构成。ADC43用于输入接受焊接机控制器5的状态信号并转换成数字信号而输出；DAC42输出用于控制上述焊接机控制器5的信号，把数字信号转换成模拟信号后输出；微处理器41借助于上述主控制部分1的控制，通过上述ADC43和DAC42来处理用于控制上述焊接机控制器5的信号。
另一方面，由于上述焊接机控制器5输入接受单相交流电源生成并输出具有规定的频率和电流量的功率，故通常由晶闸管、振荡管等构成。
上述感应线圈61被安装到被焊接物上使之产生热，作为高频电阻焊接法中所使用的热产生器，通常在制造小直径的钢管时使用感应线圈，而在制造大直径的钢管时，则使用附着于被焊接物的边沿部分上的触头(Contact tip)。
本发明的、在用电阻焊接机制造电焊钢管时可使之达到最佳的焊接那样地进行控制的方法，如图4所示，由下述步骤组成步骤31，测定随着供往感应线圈的电流量的大小而变的火花的振幅和产生频度数并设定为图3所示那样的多个区域(在本发明中为8个区域)；步骤32，从在上述步骤31中已设定的多个区域中的区域内选择由焊接条件决定的最佳焊接区域；步骤33，在上述焊接区域选择步骤32中所选定的区域内开始焊接并测量在焊接途中所产生的火花产生量；步骤34，比较在上述火花产生量测定步骤33所测到的火花产生量与被选定区域内的火花量；步骤35，36，调节供往感应线圈的电流量。
这样构成的本发明的高频电阻焊接装置的输入热量自动控制系统及其控制方法如下。
首先，在使本系统动作之前，测定因焊接输入热量的变化而产生的火花量并在按区分类进行分离后设定区域。并对该区域设定加权值。即把第1区域的加权值设定为“0”，把第2区域的加权值设定为“1”。把第3区域的加权值设定为“2”，把第4区域的加权值设定为“3”，把第5区域的加权值设定为“4”，把第6区域的加权值设定为“5”，把第7区域的加权值设定为“6”，把第8区域的加权值设定为“7”。这一区域设定也可以设定得更为细密。接下来，对火花产生量与焊接质量的相互关系进行实验后设定具有最佳焊接质量的区域。
这样的过程在事前经过多次实验来进行测定，并对有关所供电流量(焊接输入热量)和火花的数据以及焊接状态进行相互比较后进行设定。
在像这样地通过主控制部分1选择了由焊接条件所决定的区域之后，在开始焊接的同时测定火花产生量。
这种火花产生量的测定过程如下。
当给已安装到被焊接物2上的感应线圈61加上高频电流时，如图1所示，电流流动使被焊接物的边沿部分熔融，且边前进边在焊接点21使熔融部位接合。然而，被所供高频电流熔融了的被焊接物2的熔融部分归因于电现象，结果就形成火花。这种火花现象是起因于熔融物的流动性和在被焊接物2的边沿部分流动的电流所产生的电磁力而生成的现象，其火花产生量即其振幅和产生频度数取决于所供给的焊接输入热量而变成图3所示的图形。
因此，通过火花信号处理部分测定火花的振幅和产生频度数并将之进行反馈使得可以适当地减少或增大现在的焊接输入热量以便在最佳状态下进行焊接。换句话说，倘假定最佳状态在第3区域进行，则以这时的火花信号即振幅和产生频度数为基准通过焊接输入热量的变化将焊接条件维持于最佳状态。
以上对本发明的优选实施例进行了图示和说明，但本发明不限定于上述那些实施例，在不偏离本发明的精神的范围内，在本发明所属技术领域普通技术人员可进行多种的变更和修正。
如以上所说明的那样，本发明的高频电阻焊接装置的输入热量自动控制系统及控制方法，在制造电焊钢管时，采用用在焊接途中产生的火花信号自动地进行控制，通过适当地改变焊接输入热量将焊接状态维持在最佳状态的办法，获得改善焊接质量，提高生产率的效果。
权利要求
1.一种自动地控制在制造电焊钢管时使用的高频电阻焊接装置的输入热量的高频电阻焊接装置的输入热量自动控制系统，其特征在于该系统由下述部分构成接收装置(70)，用于检测由在焊接部位产生的火花形成的电磁波；火花信号处理部分(3)，用于从通过上述接收装置接收到的火花信号内仅仅选择所需的信号、分离振幅成分和频率成分并加工成规定的形态后输出，热产生器(61)，被安装在被焊接物(2)上并产生溶融热；振荡部分(6)，用于使供往上述热产生器的高频电流振荡并输出；焊接机控制器(5)，用于控制供往上述振荡部分(6)的电流量和频率；焊接机功率控制器(4)，用于控制上述焊接机控制器(5)的输出；主控制部分(1)，连到上述火花信号处理部分(3)与焊接机功率控制器(4)上，反馈接受火花信号并对焊接机功率进行控制使之变成最佳焊接条件。
2.权利要求1所述的高频电阻焊接装置的输入热量自动控制系统，其特征在于上述火花信号处理部分(3)由下述部分构成火花探测器(31)，用于检测由上述热产器(61)产生的热熔融而在焊接部位产生的火花的信号，从接收装置(70)输入接受信号，并对有效的信号进行滤波和放大后输出；信号分离部分(32)，用于把从上述火花探测器(31)输出的信号分离成振幅信号和频率信号后输出；火花频率信号处理部分(33)，用于输入接受被上述信号分离部分(32)分离后的频率信号并在加工成规定的数据形态后输出；火花振幅信号处理部分(34)，用于输入接受已被上述信号分离部分(32)分离后的振幅信号并在加工为规定的数据形态后输出；模/数转换器(ADC)(35)，用于把从上述火花频率/振幅信号处理部分(33，34)输出的模拟信号转换成数字信号输出；微处理器(36)，用于借助于上述主控制部分(1)的控制，控制上述火花探测器(31)的动作，并把上述ADC(35)的输出变换成串行数据输出。
3.权利要求1所述的高频电阻焊接装置的输入热量自动控制系统，其特征在于用来控制上述焊接机控制器(5)的输出的上述焊接机功率控制器(4)，由下述部分构成用于输入接受焊接机控制器(5)的状态信并转换成数字信号输出的模/数转换器(43)；输出用于控制上述焊接机控制器(5)的信号，把数字信号转换成模拟信号输出的数/模转换器(42)；和借助于上述主控制部分(1)的控制，通过上述模/数转换器(43)和数/模转换器(42)对用于控制上述焊接机控制器(5)的信号进行处理的微处理器(41)。
4.一种在使用高频电阻焊接机制造电焊钢管时进行控制使之进行最佳焊接的高频电阻焊接装置的输入热量自动控制方法，其特征在于该方法由下述步骤组成步骤31，测定取决于供往热产生器的电流量大小而变化的火花振幅和产生频度数并设定为多个区域；步骤32，从在上述步骤31中已设定的多个区域中的区域内选择由焊接条件决定的最佳焊接区域；步骤33，在上述区域选择步骤32中选中的区域中开始进行焊接并测定在焊接途中产生的火花产生量；步骤34，对在上述火花产生量测定步骤33中测到的火花产生量和被选定的区域内的火花量进行比较；步骤35、36，调节供往热产生器的电流量。
全文摘要
提供一种控制制造电焊钢管时所用的电阻焊接装置和方法。该控制装置环形天线(70),检测焊接部火花的电磁波;火花信号处理部分(3),从接收到的火花信号中选择所需的信号,分离振幅和频率成分、加工成规定形态后输出;热产生器(61),安装在被焊接物(2)上使之产生熔融热;振荡部分(6),使高频电流振荡输出;焊接机控制器(5),控制电流量和频率;焊接机功率控制器(4),用于控制控制器(5)的输出;主控制部分(1)控制焊接机的功率使之变成最佳焊接条件。
文档编号B23K13/00GK1200970SQ9711243
公开日1998年12月9日 申请日期1997年5月30日 优先权日1997年5月15日
发明者吴柱燮, 郑庾燮, 金容奭 申请人:株式会社世亚制钢