专利名称：焊接电源装置的输出控制方法
技术领域：
本发明涉及在短路电弧焊接中使用的焊接电源装置的输出控制方法，特别是，涉及电子地形成用于适当化短路期间及电弧期间的输出电流的变化的电抗器的所谓电子电抗器控制的改善。
背景技术：
在焊丝与母材之间产生电弧，将由该电弧的热来熔融焊丝而得到的熔滴移到母材的熔融池中，来进行焊接，在这样的电弧焊接中，一般，根据熔滴的移动形态的种类，已知有珠滴移动(焊丝直径以上的熔滴从焊丝落下到母材的熔融池中的移动形态)、喷雾移动(小于焊丝直径的熔滴从焊丝落下到母材的熔融池中的移动形态)、短路移动(焊丝的熔滴与母材的熔融池相接触的移动形态)。
由短路移动形态所产生的电弧焊接(以下称为短路电弧焊接)反复进行焊丝与母材短路的期间(以下称为短路期间)和在焊丝与母材之间发生电弧的期间(以下称为电弧期间)，但是，在该短路电弧焊接中，由于伴随着焊接移动的电弧长度的变动，焊接电源装置的短路期间和电弧期间中的输出电流变化，因此，适当化该输出电流的变化对于确保良好的焊接质量是重要的。而且，在短路电弧焊接中，不仅包含由短路移动所产生的电弧焊接，也包含由伴随着短路的珠滴移动所产生的电弧焊接、由伴随着短路的喷雾移动所产生的电弧焊接。
在短路电弧焊接中一般使用恒定电压特性的焊接电源装置。当该焊接电源装置的输出电压为E[V]，焊接电源装置的内部和外部合在一起的电抗器的电感值为L[H]，焊接电源装置的内部和外部合在一起的电阻值为r[Ω]，发生电弧的焊丝与母材之间的电压(以下称为焊接电源)为v[V]时，与输出电压相关，下式(1)成立E＝L·di/dt+r·i+v …式(1)在上述式(1)中，由于电阻值r通常为较小的值，因此，当忽略r·i项时，为E＝L·di/dt+v …式(1’)当用电流变化率(电流微分值)di/dt整理该式(1’)时，成为下式(2)di/dt＝(E-v)/L …式(2)在上式(2)中，由于焊接电源装置的输出电压E被控制为预先设定的固定值上，则当电弧负荷(发生电弧的焊丝与母材之间的负荷)变动而使焊接电压v变化时的电流变化率di/dt与电感值L成反比。因此，为了谋求随着电弧负荷的变动而变化的电流变化率di/dt的适当化，可以将电感值L设定为适当值Lm[H](以下称为适当电感值Lm)上。
但是，通常，适当电感值Lm为100～500[μH]这样大的值，并且，流过电抗器中的输出电流i最大为500[A]这样的非常大的值，因此，在钢芯上缠绕导线而制作的电抗器中，其尺寸变大，重量变重，因此，制作具有适当电感值Lm的电抗器是困难的。而且，适当电感值Lm随着焊丝的材料、直径、屏蔽气体的种类、平均输出电流值、短路期间和电弧期间等各种焊接条件而变化，因此，在钢芯上缠绕导线而制作的电抗器中，不能使其电感值随焊接条件而自如地变为所希望的值。
因此，在以下说明的现有技术中，公开了电子地形成与该电抗器等效的作用的控制(以下称为电子电抗器控制)，而广泛使用(例如，参照专利文献1、2)。
电子电抗器控制的原理为以下这样即，在上述式(1’)中，当L＝Li+Lr时，成为E＝(Li+Lr)·di/dt+vE-Lr·di/dt＝Li·di/dt+v…式(3)如果为了平滑输出电流i而设在焊接电源装置的外部的电抗器的电感值为Li[μH](固定值)，在焊接电源装置内生成Lr·di/dt的电压，对(E-Lr·di/dt)的电压进行恒定电压控制而作为输出电压，就能用具有几十μH的低电感值的电抗器来实现上述电抗器。而且，Lr·di/dt的电压能够通过检测出输出电流i并进行微分、算出乘以电子电感值Lr的电流微分值Bi＝Lr·di/dt来生成。
而且，输出电流i的变化率di/dt的放大率Lr相当于通过焊接电源装置内的运算处理而假想地形成的电抗器(与上述外部电抗器串联连接的电抗器)的电感值。当将电感值L设定为适当电感值Lm时，由于Lm＝Li(固定值)+Lr，根据焊接条件而使放大率Lr(以下称为电子电感值)变换为适当值，由此，能够使适当电感值Lm随焊接条件而自如地变化为所希望的值。
这样，电子电抗器控制是在焊接电源装置内生成Lr·di/dt的电压，对(E-Lr·di/dt)的电压进行恒定电压控制而作为输出电压，由此，能够实现电流平滑用电抗器的电感值L的适当化，同时，能够使该适当电感值Lm自如地变化为对应于焊接条件的所希望的值。
图6是现有的采用电子电抗器控制的焊接电源装置的方框图。
焊接电源装置包括电源主电路PMC、输出电压检测电路ED、直流电抗器DCL、电压检测电路VD、电流检测电路ID、短路判别电路SD、电子电抗器控制电路ERC、输出电压设定电路ER、减法电路SUB和误差放大电路AMP。
在焊接电源装置的输出端上连接具有焊丝1、母材2、焊炬4和输送辊5的电弧焊机。更具体地说，在+输出端上连接焊炬4，在一输出端上连接母材2。电弧焊机为这样的构成通过输送辊5而以一定速度向焊炬4连续地输送焊丝1。焊接时，从焊接电源装置向焊炬4与母材2之间施加直流电压E，通过该直流电压E在焊丝1的前端与母材2之间发生电弧3。而且，通过该电弧3的热来熔融焊丝1的前端部，成为熔滴，并移动到母材2的熔融池中，由此来进行焊接。
电源主电路PMC对从图中省略的商用电源(3相200V等的交流电源)所输入的交流电源进行整流，而生成直流电压，通过变换器控制将该直流电压变换为预定的交流电压，然后，再次进行整流来输出预定的直流电压E。
输出电压检测电路ED并联连接在电源主电路PMC的输出端上，检测从该电源主电路PMC所输出的电压E，输出与该检测值相对应的输出电压检测信号Ed。该输出电压检测信号Ed被输入误差放大电路AMP。
直流电抗器DCL是用于平滑从电源主电路PMC所输出的电压E的器件，串联连接在电源主电路PMC的+侧的输出端和焊接电源装置的+侧的输出端之间。直流电抗器DCL是在铁芯上缠绕导线，具有几十μH左右的电感值Li[μH]。
电流检测电路ID检测从电源主电路PMC所输出的直流电流i，串联连接在电源主电路PMC的一侧的输出端与焊接电源装置的一侧的输出端之间。电流检测电路ID输出作为输出电流i的检测信号的电流检测信号id。该电流检测信号id被输入电子电抗器控制电路ERC。
电压检测电路VD检测焊炬4与母材2之间的电压(焊接电压)v，并联连接在焊接电源装置的输出端之间。电压检测电路VD输出作为焊接电压v的检测信号的电压检测信号vd。该电压检测信号vd被输入短路判别电路SD。
短路判别电路SD根据从电压检测电路VD所输入的电压检测信号vd来判别焊丝1与母材2是否短路。短路判别电路SD在电压检测信号vd为零时输出表示焊丝1与母材2为短路状态的短路判别信号Sd。
电子电抗器控制电路ERC将预先设定的放大率Lr乘以流过负荷的电流i的微分值di/dt，生成以Lr·di/dt为内容的电流微分信号Bi。电子电抗器控制电路ERC具有微分电路和乘法电路，由微分电路生成从电流检测电路ID所输入的电流检测信号id的微分信号，由乘法电路将放大率Lr乘以该微分信号而生成电流微分信号Bi。该电流微分信号Bi被输入减法电路SUB。
而且，放大率Lr如上述那样，其适当值随焊接条件而不同，特别是，在电弧3发生的电弧期间和通过短路而使电弧3消失的期间内，适当值大为不同，因此，在电弧期间和短路期间中，设定为不同的值。通常，为了稳定焊接状态，与短路期间相对应的放大率Lr被设定为较大的值，与电弧期间相对应的放大率Lr被设定为较小的值。电子电抗器控制电路ERC根据从短路判别电路SD所输入的短路判别信号Sd，使电弧期间的放大率Lr和短路期间的放大率Lr变化，生成与各期间相对应的电流微分信号Bi。
输出电压设定电路ER设定电源主电路PMC将要进行恒定电压控制的电压Eo。输出电压设定电路ER在从省略图示的外部电路设定将要进行恒定电压控制的电压Eo时，生成与该设定值相对应的输出电压设定信号Er，输入到减法电路SUB中。
减法电路SUB使用从输出电压设定电路ER所输入的输出电压设定信号Er和从电子电抗器控制电路ERC所输入的电流微分信号Bi，进行相减处理，生成以(Eo-Lr·di/dt)为内容的电压控制设定信号Ecr(＝Er-Bi)。该电压控制设定信号Ecr被输入误差放大电路AMP。
误差放大电路AMP使用从减法电路SUB所输入的电压控制设定信号Ecr和从输出电压检测电路ED所输入的输出电压检测信号Ed，进行相减处理和放大处理，生成以误差电压ΔE＝(Eo-Lr·di/dt)-E为内容的误差放大信号Amp。该误差放大信号Amp被输入误差放大电路AMP。电源主电路PMC在上述变换控制中，使用从误差放大电路AMP所输入的误差放大信号Amp，进行控制以使上述误差电压ΔE为零，由此，将输出电压E恒定电压控制为由上述减法电路SUB所算出的电压(Er-Lr·di/dt)上。
图7是上述焊接电源装置中的各个信号的时序图。图7(A)表示输出电流i的时间变化，图7(B)表示电流微分信号Bi的时间变化，图7(C)表示电压控制设定信号Ecr的时间变化。以下参照附图进行说明。
在图7中，输出电流i增大的期间(参照时刻t1～t2的期间Ts)是短路期间，输出电流i减少的期间(参照时刻t2～t3的期间Ta)是电弧期间。如该图所示的那样，在短路电弧焊接中，短路期间Ts和电弧期间Ta交替重复。
在短路期间Ts中，焊丝1与母材2为短路状态，如图7(A)的时刻t1～t2的电流波形所示的那样，由于输出电流i增加，则电流微分信号Bi如图7(B)所示的那样成为与输出电流i的增加率成比例的正值。另一方面，在电弧期间Ta中，焊丝1与母材2之间为电弧放电状态，如图7(A)的时刻t2～t3的电流波形所示的那样，由于输出电流i减少，则电流微分信号Bi如图7(B)所示的那样成为与输出电流i的减少率成比例的负值。
这样，电压控制设定信号Ecr如图7(C)所示的那样为从输出电压设定信号Er减去电流微分信号Bi的信号。这样，从电源主电路PMC所输出的电压E被控制为与由电压控制设定信号Ecr所指示的电压(Eo-Lr·di/dt)大致相等。
专利文献日本专利公开公报特开昭58-81567号公报日本专利公开公报特开昭58-112659号公报发明所要解决的课题在图7中，使时刻t1～t2的短路期间Ts中的电流微分信号Bi的积分值的绝对值为Ss，使时刻t2～t3的短路期间Ta中的电流微分信号Bi的积分值的绝对值为Sa。在短路期间Ts和电弧期间Ta中，负荷的变动状态即输出电流i的变动状态不同，伴随其的放大率Lr的设定值变化，因此，积分值Ss与积分值Sa不同，通常，积分值Ss＞积分值Sa。
如图7(C)所示的那样，在电弧期间Ta中，电压控制设定信号Ecr大于输出电压设定信号Er，在短路期间Ts中，电压控制设定信号Ecr小于输出电压设定信号Er，但是，由于积分值Ss＞积分值Sa，电弧期间Ta中的电压控制设定信号Ecr的平均值Ea与输出电压设定信号Er之差ΔEa的绝对值小于短路期间Ts中的电压控制设定信号Ecr的平均值Es与输出电压设定信号Er之差ΔEs的绝对值。因此，电弧焊接的整个期间中的电压控制设定信号Ecr的平均值小于输出电压设定信号Er。
而且，积分值Sa、Ss相对于电弧期间Ta和短路期间Ts，随着各自设定的放大率Lr的适当值而分别发生变化，因此，|ΔEa|与|ΔEs |之差变化，电压控制设定信号Ecr的平均值随放大率Lr的设定值而变化。
因此，将电弧长度设定为适当值对于确保良好的焊接质量是重要的。通常，由于电弧长度大致与焊接电压v的平均值成比例，因此，输出电压E的平均值大致成比例。另一方面，输出电压E的平均值由电压控制设定信号Ecr的平均值所决定，因此，结果，电弧长度由电压控制设定信号Ecr的平均值所决定。但是，如上述那样，通过电子电抗器控制而将放大率Lr设定为与焊接条件相对应的适当值，由此，电压控制设定信号Ecr的平均值变化，因此，电弧长度随焊接条件而变化。
因此，在现有技术中，当使放大率Lr变化时，必须对从输出电压设定电路ER所输出的输出电压设定信号Er再次进行调整，使电压控制设定信号Ecr的平均值不脱离适当值。该再次调整是非常复杂的作业，若再次调整不及时，电弧长度就脱离适当值，则焊接质量变差。
第一方面的发明是一种焊接电源装置的输出控制方法，使用于在焊丝与母材之间重复短路期间和电弧期间的短路电弧焊接中，将预定的放大率与上述焊接电源装置的输出电流的微分值相乘，来算出电流微分值，从预定的输出电压设定值减去上述电流微分值，来算出电压控制设定值，控制输出，以使上述焊接电源装置的输出电压的检测值与上述电压控制设定值大致相等，其特征在于，平滑上述电流微分值，算出电流微分平滑值，将上述电压控制设定值计算为将上述电流微分平滑值与从上述输出电压设定值减去上述电流微分值的值相加的值。
第二方面的发明是根据发明第一方面所述的焊接电源装置的输出控制方法，其特征在于，在短路期间中，将上述电压控制设定值计算为从输出电压设定值减去电流微分值的值；在电弧期间中，将上述电压控制设定值计算为将电流微分平滑值与上述输出电压设定值相加的值。
图1是本发明的实施方式1的焊接电源装置的方框图；图2是图1的焊接电源装置的时序图；图3是本发明的实施方式2的焊接电源装置的方框图；图4是图3的焊接电源装置的时序图；图5是表示本发明的效果的放大率与输出电压平均值的关系图；图6是现有技术中的焊接电源装置的方框图；图7是图6的焊接电源装置的时序图。
标号说明 1焊丝；2母材；3电弧4焊炬；5输送辊；AD加法电路；Ad加法信号；AD2第二加法电路；AMP误差放大电路；Amp误差放大信号；BA电流微分平滑电路；Ba电流微分平滑(值/信号)；Bi电流微分(值/信号)；DCL直流电抗器；di/dt电流变化率；E输出电压；Ecr电压控制设定(值/信号)；ED输出电压检测电路；Ed输出电压检测信号；ER输出电压设定电路；Er输出电压设定(值/信号)；ERC电子电抗器控制电路；i输出电流；ID电流检测电路；id电流检测信号；L电感值L；Li固定电感值；Lm适当电感值；Lr放大率/电子电感值；PMC电源主电路；r电阻值；Sa积分值；SD短路判别电路；Sd短路判别信号；Ss积分值；SUB减法电路；Sub减法信号；SUB2第二减法电路；SW切换电路Ta电弧期间；Ts短路期间；v焊接电压；VD电压检测电路；vd电压检测信号。
具体实施例方式
以下参照附图来对本发明的实施方式进行说明。
实施方式1本发明的实施方式1是这样的方法在现有技术的电子电抗器控制中，对电流微分信号Bi＝Lr·di/dt进行平滑，算出电流微分平滑值Ba，算出电压控制设定信号Ecr＝Er-Bi+Ba，来控制输出电压。如后述的那样，即使放大率Lr变化，通过电流微分平滑值Ba来将电压控制设定信号Ecr的平均值保持为大致恒定值。
图1是实施方式1所涉及的焊接电源装置的方框图。
图1是这样的方案在图6中，在减法电路SUB与误差放大电路AMP之间追加了加法电路AD，同时，在加法电路AD与电子电抗器控制电路ERC之间追加了电流微分平滑电路BA。而且，在图1中，将图6的减法电路SUB作为第二减法电路SUB2。在该图中，给与上述图6相同的电路赋予相同标号，而省略其说明。以下对与图6不同的用虚线表示的电路进行说明。
电流微分平滑电路BA对电流微分信号Bi进行平滑而输出电流微分平滑信号Ba。第二减法电路SUB2从输出电压设定信号Er减去电流微分信号Bi，输出减法信号Sub＝Er-Bi＝Er-(Lr·di/dt)。加法电路AD将上述减法信号Sub与上述电流微分平滑值Ba相加，输出电压控制设定信号Ecr＝Sub+Ba＝Er-(Lr·di/dt)+Ba。
图2是上述实施方式1的焊接电源装置中的各个信号的时序图。图2(A)表示输出电流i的时间变化，图2(B)表示电流微分信号Bi的时间变化，图2(C)表示电压控制设定信号Ecr的时间变化。该图与上述图7相对应，仅说明与图7不同点。
如图2(B)所示的那样，对电流微分信号Bi进行平滑而得到电流微分平滑信号Ba。该平滑的时间常数被设定为电流微分信号Bi被大致平滑的几十～几百ms左右。该电流微分平滑值Ba等于积分值Ss与积分值Sa之差。因此，如图2(C)所示的那样，电压控制设定信号Ecr＝Er-Bi+Ba的平均值与输出电压设定信号Er大致相等。因此，在短路期间和电弧期间中将电子电抗器控制的放大率Lr设定为大大不同的值的情况下或者根据各种焊接条件而设定为不同的值的情况下，能够使电压控制设定信号Ecr的平均值始终与输出电压设定信号Er的值大致相等。
实施方式2本发明的实施方式2是这样的方法在上述实施方式1中，对电流微分值Bi＝Lr·di/dt进行平滑，算出电流微分平滑值Ba，在短路期间中，将电压控制设定信号Ecr计算为从输出电压设定值Er减去电流微分值Bi的值Ecr＝Er-Bi，在电弧期间中，将电压控制设定信号Ecr计算为输出电压设定值Er加上电流微分平滑值Ba的值Ecr＝Er+Ba。如上述那样，一般，在短路期间中，放大率Lr被设定为较大的值，在电弧期间中，放大率Lr被设定为较小的值。在此情况下，由于与仅在短路期间中减去电流微分值Bi的结果等效，通过仅在电弧期间中加上电流微分平滑值Ba，能够将电压控制设定值Ecr的平均值保持为大致恒定值。
图3是实施方式2所涉及的焊接电源装置的方框图。
图3是这样的方案在图1中，删除加法电路AD，在第二减法电路SUB2与误差放大电路AMP之间设置切换电路SW，同时，在该切换电路SW与第二减法电路SUB2之间设置第二加法电路AD2。切换电路SW的共同端子连接在误差放大电路AMP上，切换电路SW的a端子和b端子分别连接在第二减法电路SUB2和第二加法电路AD2上。而且，与切换电路SW的共同端子相对应的a端子、b端子的切换根据从短路判别电路SD所输出的短路判别信号Sd来进行。在该图中，给与上述图1相同的电路赋予相同标号，而省略其说明。以下对与图1不同的用虚线表示的电路进行说明。
第二加法电路AD2将输出电压设定信号Er与电流微分平滑信号Ba相加，而输出加法信号Ad＝Er+Ba。切换电路SW在短路判别信号Sd为高(High)电平(短路期间)时，与共同端子相对应的连接端子切换到a端子侧，输出减法信号Sub＝Er-Bi作为电压控制设定信号Ecr，当短路判别信号Sd为低(Low)电平(电弧期间)时，与共同端子相对应的连接端子切换到b端子侧，输出上述加法信号Ad＝Er+Ba作为电压控制设定信号Ecr。输出电压E被控制为与该电压控制设定信号Ecr大致相等。
图4是上述实施方式2的焊接电源装置中的各信号的时序图。图4(A)表示输出电流i的时间变化，图4(B)表示电流微分信号Bi的时间变化，图4(C)表示电压控制设定信号Ecr的时间变化。该图与上述图2相对应，仅说明与图2不同点。
如图4(B)所示的那样，由于电子电抗器控制的放大率Lr在短路期间被设定为较大的值，在电弧期间被设定为非常小的值，因此，电流微分信号Bi在时刻t1～t2的短路期间Ts中成为较大的值，在另一时刻t2～t3的电弧期间Ta中大致为零。而且，对电流微分信号Bi进行平滑，得到电流微分平滑信号Ba。而且，如图4(C)所示的那样，短路期间Ts中的电压控制设定信号由Ecr＝Er-Bi的公式算出，电弧期间Ta中的电压控制设定信号由Ecr＝Er+Ba的公式算出。其结果，即使在短路期间和电弧期间中将电子电抗器控制的放大率Lr设定为大大不同的值的情况下或者根据各种焊接条件而设定为不同的值的情况下，能够使电压控制设定信号Ecr的平均值与输出电压设定信号Er的值大致相等。
图5是表示本发明的效果的一例的放大率Lr与输出电压E的平均值的关系图。在该图中，在钢铁的金属极活性气体电弧焊中，测定与输出电流i的平均值为150A时的放大率Lr的变化相对应的输出电压平均值的变化。如从该图所看到的那样，在现有技术中，由于随着放大率Lr的增大，输出电压平均值减少，电弧长度变短，焊接质量变差。与此相对，在本发明中，由于输出电压平均值大致为恒定值，则电弧长度不变，能够将焊接质量保持为良好状态。
根据本发明的焊接电源装置的输出控制方法，即使根据各种焊接条件而使电子电抗器控制的放大率变化，由于输出电压平均值大致为恒定值，则调整为与适当电弧长度相对应的输出电压平均值的作业是容易的，而能够将电弧长度始终维持为适当值上，因此，能够得到良好的焊接品质。
权利要求
1.一种焊接电源装置的输出控制方法，使用于在焊丝与母材之间重复短路期间和电弧期间的短路电弧焊接中，将预定的放大率与所述焊接电源装置的输出电流的微分值相乘，来算出电流微分值，从预定的输出电压设定值减去所述电流微分值，来算出电压控制设定值，控制输出，以使所述焊接电源装置的输出电压的检测值与所述电压控制设定值大致相等，其特征在于，平滑所述电流微分值，算出电流微分平滑值，将所述电压控制设定值计算为将所述电流微分平滑值与从所述输出电压设定值减去所述电流微分值的值相加的值。
2.根据权利要求1所述的焊接电源装置的输出控制方法，其特征在于，在短路期间中，将所述电压控制设定值计算为从输出电压设定值减去电流微分值的值；在电弧期间中，将所述电压控制设定值计算为将电流微分平滑值与所述输出电压设定值相加的值。
全文摘要
本发明提供一种焊接电源装置的输出控制(电子电抗器控制)方法，从预定的输出电压设定值Er减去对输出电流i进行微分并乘以预定放大率Lr的电流微分值Bi，算出电压控制设定值Ecr，控制输出，以使输出电压E的检测值Ed与所述电压控制设定值Ecr大致相等，其中，根据焊接条件使所述放大率Lr的设定值变化，由此，防止所述输出电压E的平均值变化而导致电弧长度脱离适当值、焊接质量变差。对所述电流微分值Bi进行平滑而算出电流微分平滑值Ba，将所述电压控制设定值Ecr计算为将从所述输出电压设定值Er减去所述电流微分信号Bi的值与所述电流微分平滑值Ba相加的值(Ecr＝Er－Bi+Ba)。
文档编号B23K9/06GK1496774SQ0313484
公开日2004年5月19日 申请日期2003年9月25日 优先权日2002年9月26日
发明者上园敏郎, 渡部健太, 太 申请人:株式会社大亨