焊接电源外特性控制法,弧焊机及其电路的制作方法

文档序号:88936阅读:554来源:国知局

专利名称::焊接电源外特性控制法,弧焊机及其电路的制作方法本发明属于焊接电源及其控制线路。传统的气体保护熔化极电弧焊(GMA)焊机一直采用电流电压关系为平直的、下降的或微升的电源外特性,以期在焊接过程中获得较强的电弧自调节能力,以及维持电弧稳定和得到金属喷射过渡的效果,但实际上至今未能圆满地解决焊接电弧自调节能力和保证稳定的金属喷射过渡这两项相互矛盾的要求。近年来发展的GMA焊机采用两种外特性组合成非线性的电源在维弧阶段用陡降特性使电弧维持稳定;而用平直特性的强迫脉冲产生金属喷射过渡。这样就可以实现分别改变维弧电流和脉冲电流的幅值及其相应的维持时间这四个参数,使焊丝的熔化速度能够灵活地调节。虽然这种焊机的焊接电流适用范围比一般直流焊机宽得多,但是,为了整定焊丝的熔化速度,必须先确定上述四个参数,因此十分复杂。只要其中某个参数整定不当,就会导致电弧不稳定,甚至熄灭。又由于在维弧期间采用陡降的电源外特性,所以弧长的自调节能力不强。再者,脉冲电流幅值总是难免有波动的,故不能保证稳定的金属喷射过渡。1981年6月英国的M.AMIN在《金属结构》(MetalConstruction)杂志上提出了一种称为“SYNERGIC”的熔化极气体保护脉冲焊接方法,它把送丝速度和上述四个参数通过一个控制系统联系起来,送丝速度一经选定,上述四个参数即由电子电路自动整定。但是,在这一系统中没有反应弧长和电弧参数之间的变化。因此,除送丝速度以外的任何对弧长的干扰都会使电弧的稳定遭到破坏。此外,据知UEGURI等人的第81105288.5号欧洲专利申请提出了将电弧的电流、电压与上述四个参数联系起来控制焊接电源的脉冲焊机,实现了在焊接过程中焊接参数自动调节的一种方式。但是,由于采用积分电路测量电弧电压表示弧长,所以对弧长扰动的瞬态响应很差,影响了焊接电弧的自调节作用。本发明的目的旨在促进上述这些问题的解决。本发明的构成是一种自适应控制脉冲焊机(以下简称TSAD焊机)采用一种焊接电弧自适应控制系统,该系统使电源呈现多阶梯和具有运动斜率的外特性,能使焊接电弧自始至终处于最佳状态,从而解决了现有焊机存在的电弧自调节能力和保证稳定的金属喷射过渡之间的矛盾问题。上述的多阶梯外特性主要包括三段一段为使维持电弧充分稳定的稍微倾斜的特性,一段为保持稳定的金属喷射过渡、保证电弧为恒定电流的垂直特性,以及一段为加速电弧由维弧阶段到脉冲阶段间过渡的运动斜率特性,这三段特性与空载点和短路点连接成多阶梯的外特性。上述的运动斜率特性是本发明焊机中独具的特点。为实现这一特点,在上述控制系统中设有一个扫描电路,它由弧长上下限电压触发並按焊接电流微变量进行扫描。当焊接电流微变量上升时,它使电源电压远高于弧压降,当焊接电流微变量减少时,它使电源电压远低于弧压降,从而使电弧快速完成向维弧或脉冲最佳稳定点的过渡,这是与现有脉冲焊机的特性迴然不同的,这也是实现本发明焊机具有电弧自适应能力的主要电路之一。本发明TSAD焊机的另一特点是在焊接电弧自适应控制系统中采用一个多阶梯外特性的自动转换电路,它能将任意多段和任意斜率的特性线段衔接起来组合而成任意多阶梯的特性曲线,从而实现了电源为多阶梯的外特性。TSAD焊机控制系统中的送丝电路与现有焊机不同,它能实现使弧长随送丝速度的变化而自动进行补偿从而保证最适度的金属喷射过渡TSAD焊机的晶体管电源本身具有检测和控制弧长的能力,故不需象现有焊机那样附加检测弧长的电路,即能实现自动地调节输出的电流和电压,使焊接电弧永远处于最佳状态。由于TSAD焊机具有多阶梯的外特性,在维弧和脉冲阶段分别采用不同的电流和电压,故能使焊接电源的功耗减少。由于TSAD焊机是用于GMA焊接的,故具有以下一些优点焊接电弧稳定;保证金属喷射过渡而且飞溅极少;能适应脉冲送丝或函数送丝;以及可以采用单旋钮调节送丝速度而无需调整其它焊接参数,操作起来十分简便。由于上述特征,所以本发明的TSAD脉冲焊机不但具有与机器人联用的潜力,而且还可发展应用于焊缝溶深和成形控制焊接;线能量控制焊接;铝和铝合金的亚射流过渡焊接以及CO2焊接。为了全面了解本发明的内容,现结合有关附图作如下具体说明,其中图1是TSAD焊机的框图;图2是TSAD焊机焊接电源部分的电路图;图3是如图2所示的焊接电源的多阶梯运动斜率外特性;图4是如图3所示的焊接电源的多阶梯外特性自动转换电路;图5是焊接电源的运动斜率外特性控制电路;图6是任意多阶梯外特性自动转换电路;图7是由图6电路实现的任意多阶梯外特性曲线;图8是TSAD焊机的送丝电路。如图1所示,本发明的TSAD焊机包括一个含有外特性控制电路1、过载保护电路2、驱动电路3和主电路4的焊接电源12,以及一个含有脉冲送丝控制电路5、电机驱动电路6和送丝电机7的送丝机构13。焊丝11是通过送丝电机7控制的送丝机构10向金属部件9移动而进行焊接的。电压u和电流i分别送到外特性控制电路1。主电路4的输出连接到焊丝11和金属部件9,以便在焊丝和金属部件之间产生电弧8。上述的各个部分构成一个焊接电弧自适应控制系统。参照图2,上述外特性控制电路中包括一个如图4所示的焊接电源的多阶梯外特性自动转换电路和一个如图5所示的焊接电源的运动斜率外特性控制电路。从图2和图8中可见,上述TSAD焊机除了焊接电缆不可避免地盘绕外,没有其它惯性元件,因而该焊机的控制系统具有极好的动态品质。如图3所示,上述焊接电源的多阶梯运动斜率外特性是由五条基本特性线段组成的,其中A是开路点(空载点);BC为一条用以保持维弧充分稳定的陡升特性线段;CD为一条在l1(弧长上限)和l2(弧长下限)之间的具有运动斜率的能加速电弧从维弧阶段到脉冲阶段往返过渡的特性线段;DE为一条垂直的以保证脉冲阶段电弧的工作点为恒定电流的特性线段;EF和FG控制短路特性线段;G为短路点。上述BC,CD和DE三条特性线段是焊接电源外特性的主要组成部分。在传统焊机上,当弧长增大时,维弧电流总是下降的。而本发明由于BC段作用的结果,当弧长越大或弧压越高时,维弧电流的幅值也越大,从而使维弧的稳定得到了保证。本发明还使CD特性线段在弧长允许的上、下限l1和l2之间倾斜,並随焊接电流的增量而扫描,扫描的轨迹为由CD线段向S1或S2方向运动,从而实现了运动斜率的外特性。该运动斜率外特性的运动过程如下假定在初始瞬间弧长为l1,电弧工作点为C′,由于此段焊接电流很小,电弧只维持燃烧而无金属过渡,所以弧长减小,电弧的工作点从C′下降到C。一旦到达C点时,立即触发,CD段开始随焊接电流的微变量进行扫描,在扫描过程中,电源的输出电压远高于电弧的压降,因而使电弧迅速地从C跳到D′,此时焊接电流变得很大,开始预定形式的金属过渡,这时弧长逐渐增大,一旦增大到D点,DC段又开始上述的扫描,然而在这次扫描过程中,电源的输出电压远低于电弧的压降,因而使电弧迅速地从D跳回C′。上述过程自动地重复进行,弧长在l1和l2之间的△1内变化,电弧工作点则沿四边形C′CD′DC′的边缘运动,从而获得了焊接电源的输出自动跟踪弧长的变化。这种运动斜率外特性的优点在于第一,弧长能精确地被控制在上、下限l1和l2的间隔内,间隔值△l通常可设计成等于焊丝的直径,l1、l2和△1的绝对值可通过改变四边形C′CD′DC′的参数及位置来调节。第二,可使金属过渡在恒流下进行,恒流的幅值通过预设DE段的参数来确定,因而可保持稳定的喷射过渡形式。第三,焊接电弧的电流可自动地视弧长而变化,这与传统的强迫脉冲弧焊接或闭环控制的金属焊丝惰性气体保护(MIG)焊接具有本质的不同。第四,脉冲电弧能自行适应送丝速度的任何变化,並快速响应任何类型的弧长干扰,这就是本发明容易实现单旋钮调整送丝速度和适宜用脉冲送丝工艺的根本原因。参照图4,具有运算放大器AlO1的控制电路是用以实现恒流或垂直外特性的,其中R′i表示电流的参考值,i表示焊接电流信号,u表示电弧电压信号。应该指出的是,此控制电路给运算放大器AlO1设计了第三个输入信号u,即电弧电压信号(±u)。于是电源的外特性成为一条与垂直轴倾斜的线段,其斜率可调整成正的或负的,斜率的正负和大小取决于输入电压信号u的符号和幅值。在具有运算放大器AlO2和AlO3的控制电路中,R′u表示输入电弧电压的参考值,此控制电路给运算放大器AlO2设计了第三个输入信号(±i),该电流信号使平特性向上或向下倾斜,倾斜的方向和程度取决于代表焊接电流信号i的符号和大小。上述两个控制电路实现了电源外特性的个别线段,如何将多段任意斜率的外特性自动准确地连接起来成为如图3所示的特性曲线是本发明的关键如果采用传统的测试和电子开关控制电路的方法来连接外特性会出现一系列的问题。例如,由于闭环反馈的静态误差和外特性位置、斜率的变化,要使转换点与外特性的实际交点完全吻合是相当困难的。当切换点与外特性的实际交点出现误差时,在两条外特性交点的附近区域就会出现死区、重合区或振荡区,用这种转换方法所获得的多阶梯外特性,其性能是很差的。而TSAD焊机采用的是一种与现有技术完全不同的多阶梯外特性自动转换电路。这种电路利用反馈和一个二极管组来实现上述斜率不同的外特性线段之间的自动转换。下面将具体说明这一转换电路。如图4所示,该自动转换电路包括五个反馈控制回路。其中AlO1至AlO7为运算放大器,R′i,R″i和R′′′i为焊接电流的参考值,R′u和R″u为电弧电压参考值,U为电弧电压的反馈信号,i为焊接电流的反馈信号,b点为向大功率晶体管组基极输出的信号。参照图3,具有运算放大器AlO1的第一回路用来产生BC段外特性,具有运算放大器AlO2和AlO3的第二回路用来产生CD段外特性,具有运算放大器AlO4的第三回路用来产生DE段外特性,具有运算放大器AlO6和AlO5的第四回路用来产生EF段外特性,具有运算放大器AlO7的第五回路用来产生FG段外特性。假定电弧在BC段工作,这时第一反馈回路动作,在接点14处的电位为正;在第二反馈回路中,由于|u|》|R′u|,因而在接点15处的电位为负向饱和;在第三反馈回路中,由于|R″i|》|i|,因而在接点16处的输出电位为正向饱和;同理,在接点17处的电位为负向饱和,在接点18处的电位为正向饱和。这时可以看出,除了第一反馈回路外,其它所有反馈回路都被二极管D2,D3,D4和D5所阻断。如果电弧工作点移到CD段,在第一回路中,由于|i|》|R′i|,因而在接点14处的输出电位变为负向饱和,这时第二回路开始动作,在接点15处处的输出电位为正。其它三个回路的输出电位和前述一样,即在接点16处为正,在接点17处为负,在接点18处为正,所以除了第二回路外,其它所有的反馈回路都被阻断。上述第三回路中二极管D3组成箝位电路,其特点与第一、第二回路不同。当电弧工作点在DE段时,第三回路开始动作,接点16处的电位为正,但在接点14处的电位为负,其它接点的电位如15处为正,17处为负以及18处为正,这就是说,只有第一、第四和第五回路被阻断。由于第二回路的输出为正,所以它不会被阻断。这时在接点19处的输出信号由接点16处的箝位电位控制而不由接点15处的输出电位控制。如果工作点在DE段上继续移动而超过E点时,第三回路的输出电位为负向饱和並将接点20处的电位箝制为负值,于是二极管D6将其上面的三个回路阻断。当工作点在EF段上时,第四回路动作,其工作情况与第二回路相同,如果电弧工作点在FG段上时,第五回路的工作情况和第三回路相同。换言之,当电弧工作点进入EF段后,由于第三回路将接点20处的电位箝制为负值,二极管D6将前三个回路阻断,第四回路和第五回路可认为是独立的。另外,在图4所示的多阶梯外特性自动转换电路的基础上,只要所给定的焊接电流参考值R′i,R″i和R″′i是递增的,以及给定的焊接电压参考值R′u,R″u和R′′′u是递减的,就很容易发展成为如图6所示的任意多阶梯外特性自动转换电路和由此电路产生的如图7所示的任意多阶梯外特性线段。图5所示的是实现图3中CD线段使其具有运动斜率並由弧长上、下限控制触发的扫描电路,其中给运算放大器AlO2的输入端设计了一个来自扫描电路21的附加输入信号23。上述扫描电路21由运算放大器AlO8,反相器AlO9和微分电路22三部分组成。如果电弧工作点在恒流段上,则扫描电路21在反馈回路中不起作用,AlO8和AlO9只输出一个恒幅值的信号给AlO2,该信号使CD段的斜率稍有增加。但在事实上,当电弧工作点从C′到C点时,电流沿电弧静特性曲线CD′迅速增大,于是扫描电路21对焊接电流值进行微分,微分测得的电流变量经放大后送到23作为AlO2的具有扫描特性的输入,从而使AlO9的输出产生运动斜率。当电弧工作点从C跳到D′的过程中,焊接电流的微变量变化速率先是增加而后下降,因而AlO9在接点23的输出也是先增大后减小,这就导致CD段的扫描作用先是反时针方向,后是顺时针方向。同理,当电弧工作点从D向C′过渡时,焊接电流将沿电弧静特性曲线DC′迅速减小,扫描电路将这一微变量经放大后送向接点23,使DC段进行如前所述的扫描运动。参照图8所示的送丝电路13,其中送丝电机7的速度由三极管Tr601控制,为了改善送丝机构的机械特性,在电机驱动电路6中引入电枢电压负反馈,反映送丝速度的电枢电压由接点M1和M2接到外特性控制电路中的接点M1和M2。使如图3所示的外特性中的CD段随着送丝速度的增加向上平移,使焊接电弧的弧长有所增加,使弧长控制能够获得一定的补偿作用。为了防止电枢和三极管过载损坏,由接点602引入负反馈,通过放大器A603对三极管Tr602输出的电流幅值进行限制。在一般等速送丝情况下,开关24置于接点C1和C2,送丝速度由电位计W601调节;当采用脉冲送丝焊接时,将开关24置于接点P1和P2,脉冲发生器由互相触发的单稳态触发器T501和T502组成。电子开关SW501由T502控制並分别接通不同的送丝速度给定值。脉冲和休止的送丝速度分别由电位计W503和W504调节,脉冲和休止的时间分别由电位计W501和W502调节。当采用函数送丝焊接时,送丝函数的电压讯号可由接点603输入,在此情况下开关24置于接点C1和C2。TSAD焊机用直径为1.0,1.2和1.6mm的钢焊丝在Ar+CO2混合气体下进行过反复试验,正如表1所示它能在很宽的焊接电流范围内得到喷射过渡的电弧。表1<tablesid="table1"num="001"><tablealign="center">焊丝直径(mm)适用的焊接电流范围(A)1.045~2201.260~3201.680~360</table></tables>至于节电方面,由于电弧的工作点只交替地出现在两点上,即一点在BC段的下端,另一点在DE段的上端。在前一种情况下,晶体管组的电压降较高,但所通过的电流却很小;在后一种情况下,通过晶体管组的电流很大,而电压降却很小,因而晶体管组总的功耗是很小的。还值得提出的是由于TSAD焊机具有焊接电弧自适应的调节能力,所以在很宽的焊接电流范围内能在MIG脉冲焊接中获得非常稳定的焊接电弧,且能保证飞溅极少的金属喷射过渡。另外,TSAD焊机还适用于脉冲送丝焊和函数送丝焊,是一种采用单旋钮控制的焊机,无需调整其它焊接参数,操作起来十分简便。TSAD焊机还可与焊接机器人联用,並可进一步发展应用于焊缝熔深和成形控制焊接;线能量控制焊接;铝和铝合金亚射流过渡焊接以及CO2焊接。文件名称页行补正前补正后说明书414EF和FG控制EF和FG为控制说明书625在接点15处在接点15说明书72,7,9,13箝拑说明书812M1和M2M1和M2(见图2)说明书3图3L1和L2I1和I权利要求1.利用焊接电源[12]的外特性来控制电弧的方法,其特征为焊接电源的外特性是多折线形的,该多折线包括一条电压随电流的增加而陡增的陡升线段(BC,BC′),一条电压随电流的增长而上升的微升线段(CD),以及一条垂直线段(DE)。2.按权项1所说的方法,其特征为微升线段(CD)的下端点(C)也是陡升线段(BC)的下端点(C),微升线段(CD)的上端点(D)也是垂直线段(DE)的上端点(D),微升线段(CD)的下端点(C)按弧长的下限值进行整定,微升线段的上端点(D)按弧长的上限值进行整定。3.弧焊机包括一个焊接电源〔12〕和一个送丝机构〔13〕,该焊接电源包括一个控制焊接电源外特性(具有上升和下降线段的U-I特性)的外特性控制电路〔1〕,该电路与焊丝〔11〕和焊接物〔9〕形成电气连接,送丝机构〔13〕包括一个控制送丝速度的送丝控制电路〔5〕,其特征为外特性控制电路〔1〕产生一个在开路点〔A〕和短路点〔G〕之间具有不同斜率的多折线(AB,BC,CD,DE,EF,FG)的多阶梯外特性。4.按权项3所说的弧焊机,其特征为外特性控制电路〔1〕产生一运动的输出特性,以便自动地检测电弧〔8〕的弧长,并且自动地根据弧长的波动控制输出电压和输出电流,从而达到自适应的效果。5.按权项4所要求的弧焊机,其特征为外特性控制电路〔1〕产生一反应焊接电流微增或微减的扫描作用。6.按权项4所说的焊机,其特征为该扫描作用是由弧长或电弧电压的上限值(l1〕和下限值〔l2〕触发产生的。7.按权项3-6中之一所说的焊机,其特征为外特性控制电路〔1〕产生一陡升线段(BC),该线段稍微倾斜以维持电弧〔8〕的稳定燃烧,并产生一微升线段(CD),在该线段上电弧电压是随焊接电流的增加而增加的,以及产生一垂直线段(DE)用以维持脉冲电流的恒定。8.按权项3-6中之一所说的焊机,其特征为外特性控制电路〔1〕能将任意多段具有任意斜率和变化斜率的线段衔接起来。9.按权项7所说的焊机,其特征为外特性控制电路〔1〕能将任意多段具有任意斜率和变化斜率的线段衔接起来。10.具有多折(不同斜率)线段外特性电源的焊机的电路,其特征为由运算放大器〔AlO1-AlO9〕组成的反馈电路用以获得外特性曲线的各个不同斜率的线段。11.按权项10所说的电路,其特征为该电路中的反馈控制运算放大器〔AlO1-AlO7〕与二极管〔D1-D5〕以一种多路转换器的方法进行连接,因此使电路的输出能有选择和交替地从放大器〔AlO1-AlO7〕之一中取得。专利摘要一种用于电弧焊接的方法和设备,其中,包括焊接电源和送丝机构的脉冲弧焊机是由外特性控制电路,过载保护电路,驱动电路和主电路以及送丝控制电路,电机驱动电路和送丝电机组成的。脉冲电弧焊机的焊接电弧自适应控制系统所使用的电源具有多阶梯和运动斜率的外特性。此外,还提供了可使任意多段和任意斜率或运动斜率的特性线段衔接起来的自动转换电路,以及实现运动斜率特性线段的扫描电路。是仅需单旋钮控制送丝速度的自适应控制气体保护金属极电弧(GMA)焊机,无需调整其它的焊接参数,操作起来十分简便。文档编号B23K9/09GK85100037SQ85100037公开日1985年9月10日申请日期1985年4月1日发明者潘际銮,张人豪,区智明,吴志强申请人:清华大学导出引文BiBTeX,EndNote,RefMan
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1