专利名称：控制短路型焊接系统的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明有关电弧焊术，更明确地说是有关控制短路型焊接系统以便大大减少在通常情况下伴随这种焊接过程所产生的溅洒的改进方法和装置。
在自耗电极的电弧焊中，一种典型的工作原理是短路方式，其中电源跨接在自耗电极或焊条和工件之间，在该工件上焊有焊缝。当电弧产生时，电极端部就熔化形成了悬挂在电极上的熔化金属滴状物质并提供给工件。当熔化材料变得足够多时，就会使得电极和工件之间连接起来形成短路，这时，电极和工件之间的电压急骤下降，从而导致电源急骤增加流过短路电路的电流。这样大的电流被维持着，并且事实上当克服了电源电感时由于熔化物质的存在其大电流还随时间而增加。由于这短路电流继续流通，电致收缩缩小了邻近焊条端部的熔化物质部分，致使熔化焊条收缩的力与流经焊条端的熔融金属的电流平方成正比。这电致收缩效应通过诺思勒普(Northrup)等式表示G (达因／〔厘米〕2)＝ (I2(R2- r2))/(100πR4)I为电流强度，r为离焊条中心的距离，R为颈部直径。在短路过程中，需要有一个相当大的电流流通，而当短路出现时，就自然而然地产生相当大的电流流通。这大电流必然导致熔化物质的颈部快速变成一个非常小截面或者颈部，它象电熔丝一样最终断开，从而从焊条上分离出熔珠，并且由于表面张力使得熔珠引入焊槽中。这种颈部的断开引起了焊接过程的溅洒。溅洒有损于焊接工作的总体效率，并且需要在焊接工作结束后在焊缝附近进行大量的清扫工作。因为流经焊条或焊棒到工件的电流在颈部或熔丝断开时是相当大的，这样有巨大的能量要通过颈部断开加以释放，使断开飞溅的距离变大，并产生大量的溅洒。
可见，这样就使两方面之间存在着矛盾，一方面，短路电流必须大到使电致收缩足以减小颈部尺寸，而另一方面短路电流又必须小，以使熔丝断开的能量减小，从而相应地减少溅洒并且减小溅洒颗粒飞溅的距离。
已经作出了很大的努力来限止由于悬挂在焊条上并连接工件或焊槽的金属溶滴的颈部或熔丝的断开而再生电弧时的溅洒，首先，考虑减小焊条的直径，也就是使用1/32焊条。但是，这种减少溅洒的途径导致了通常和使用小焊条联系在一起的低效率。例如，难以覆盖大量的焊缝，而且有时焊条截下一截或没有熔化就进入焊槽里。当为了克服这些问题而增大焊条直径时，就会直接导致溅洒增加。迫于这种进退两难的境地，根据美国专利说明书4，544，826中的指导，建议使用一个高频电源，其中，当一旦出现短路条件或者一旦检测到再起弧的先兆，也就是检测到溶丝断开，就切断高频转换器。为了避免刚好在熔丝断开前切断高频电源时所产生的回路电流，该美国专利说明书列举了一种开关，SWD，该开关断开时，为了使回路电流迅速衰减，在固体器件转换器的输出储能电路中接入一个电阻。这系统不能应用于一切电源。并且其还基于一个复杂的逻辑系统，该逻辑系统事实上要产生出从检测到短路到颈部或熔丝断开后再建电弧时的电流曲线。通过受调节衰减减小短路时的电流，这一现象导致了t1至t2之间的时间常数曲线。在检测到即将烧断的颈部或熔丝时，也应用了同样的衰减方式。这一特征展示在该专利的t5和t6之间。如图所示的该专利的预定的曲线形状很大程度上取决了固体器件转换器输出储能电路的上述的衰减，该转换器给出了在断开瞬间流经颈部自身电流的严格的限定。这样一个电流曲线形状即使能作到的话，也只可应用于没有多大输出电感的内部能关断的高频固体器件转换器电源。否则的话，在输出电路中带有相当大电感的电抗器的情况下，通过开关SWD并联电阻来衰减会是困难的并且不总是可靠的。由于直流焊接系统存在输出电感，这种减少溅洒的衰减方式事实上有很大缺陷。
另一个专利，美国专利说明书№4546234揭示了一个通过短路电流检测控制原始电流周期重复出现的系统。另外，电流波形形状是在一定程度上固定的。在一段预定的时间延迟后，电流流经短路熔化的金属溶滴或溶珠，以便于金属转移。一个常量电流一直保持到预示出颈缩现象，这时电流迅速降至一个低电平值并然后立即变化降诙叩缙街怠Ｕ飧鱿低车贾铝诵巫锤丛拥脑ざǖ缌鞑ㄐ危遥幢隳茏鞯降幕埃话愕刂荒苡τ靡桓龈咂倒烫迤骷淖黄餍偷缭础 可见，确实需要一个相对比较简单的系统，通过它对电焊电流施加有限的有效控制使焊接溅洒减少，以便使流过的电流在大多数短路和熔丝断开的周期中呈现有规律的工作特性。再则，事实上需要一种既能用于变压器供电也能用于固体器件转换器型电源的减少溅洒电路，该固体器件转换器型电源既不依赖于低电感电路的输出衰减也不依赖于一些有明显差别电流电平值的限定。
本发明克服了为减少短路型焊接系统的溅洒的现有技术方案中存在的缺点，提供了短路电路，使系统只需最少数量逻辑电流的转移方式，并能广泛用于在输出电路中具有或不具有一定量电感的各种各样电源。
按照本发明最主要的构思，只要弧电压超过预定的临界值，如10伏时，主焊接电流就持续下去。当弧电压下降到低于这个预定值时，主焊接电流就断开一段选择的时间，然后再接通。在这段周期中，一个小的基本电流总是保持着，这样悬挂在焊条上的并且和工件接触的熔化的金属物质或熔化的金属珠仅仅是在小的基本电流而不是主电流的影响下，要么抛出，要么发展成为一个金属转移短路。因此，任何在事实上当未转移到工件焊缝或焊槽上的熔化的金属珠，当它与焊槽分离时，仅仅只遭受到小的基本电流。这样小的电流不会将来自于焊条的熔珠和部分从焊槽中抛出去。这些熔化的金属滴或珠只能瞬时间进到熔化的焊接槽和缝，这样导致的现象称作为“初期短路”。初期短路不是金属转移短路，而是熔珠和焊槽相接触，继之以由于电致收缩力使熔珠从熔化的焊槽中弹开再次建立没有任何金属转移的电弧。瞬时的短路将在小电流选定的时间间隔内出现，这时间实际为1.0毫秒。当初期短路形成时，主焊接电流断开，减小熔化的金属珠和焊接槽之间接触部分上的电致收缩力。通过用低电平值电流保持焊接作用，既具有了足够保持溶化作用的电流，而且一般来说该电流是不足以产生大的电致收缩力以致于再建电弧和具有把熔化的金属珠从焊槽中拉出的电弧喷射力。因此，该短路转成为金属转移短路，并且在进程中不产生初期短路。术语“工件”在这里是用来表示将在其上焊覆着焊缝的金属、焊缝本身或者焊槽。所有这些对电源来说电气上是接地的。
如果短路仅仅是涉及初期短路状态下的瞬时短路，那么当短路中断和电弧再建时，主电流将出现。如果当强制在通常情况下的小电流期间中，初期短路状态变为转移短路时，那么在一段起始预定的小电流时期后还保持短路状态。电弧电压保持在低电平值，而仍使主电流接通。当这出现时，通过焊条和工件之间熔体的电流由于焊条和工件之间继续短路而迅速增大。当主电流继续流过电焊条时，焊条继续加热并且它的电阻率增加。跨于间隙间的熔珠由于电致收缩效应，以正比于焊接电流平方的速率开始颈缩。由于电阻率增加和颈部直径变小，电压开始增加。颈缩作用自其开始以后一般是自保持的，因此颈缩开始就给出了要逼近熔丝断开的信号，在熔丝断开以前出现电压增加和电流斜率的符号变化。工作电压对时间的微分或者具有穿越短路金属的主电流对时间的微分指示了什么时候金属被主电流电致收缩。电压迅速增高或焊接电流斜率的变化指示了熔丝或颈部逼近断开。当电压或者电流微分指示熔丝逼近断开时，主电流正好在金属接触脱离之前再一次立刻关断。随着主电流关断，小的基本电流使得颈部的熔丝断开。这是没有发散抛洒分离的低能量断裂。当跨搭金属分离时，等离子体或电弧由基本电流恢复并且弧电压增高。当弧电压超过控制值时，主电流再一次接通等待下一次短路。
为了避免在检测出短路后立刻中断主电流，测量电压或电流微分的电路在检测短路后的第一时间延迟后跟着立刻在一个短时间内被抑制。
这种抑制作用防止了在延时后主电流导通时微分测量或检测。如果在延时后这种微分检测特征立刻起作用，那么主电流将再一次被关断从而避免大短路电流的形成和强电致收缩的产生。在主电流的这个变化期间存在着电压变化，该电压有可能被测量电弧电压微分或测量焊接电流微分电路误认为颈缩状态。
以上所称的发明允许主电流关断，以便在短路电流检测后立刻在一段预定的最长时间里保持低电平值的基本电流。当检测到金属转移周期终端逼近熔丝断开时，在一段选定的延时时间里施加同一低电平值基本电流。在这段延时期间，如电压增加超过选定值就指示了电弧状态，立刻┘又鞯缌鞑⒓绦附庸蹋缦竺挥锌刂坪附拥缌饕谎 在短路操作方式中，实际的金属转移是跟在由熔珠接触焊槽产生短路状态之后的。在短路以后，通过短路熔珠的电流急剧增加直到电流导致焊条端头的熔化的金属珠的颈缩。当该情况发生时，熔珠的电阻增加使得所施加的主电流相应地减小。此后紧接着，由于主电流还存在，颈部尺寸减小直到颈部断裂。由于实施了本发明，在颈部或熔丝断开时通过颈部或熔丝的实际电流降低到这样的电平值，它大大低于现行熔丝断开时使用主焊接电流作为正常电流的电平值。在断裂之时电流减小就减少了熔丝断开的能量从而大大减少了溅洒。借助于电压或电流的微分，颈缩能被精确地检测，使得在熔丝断开前就能减小电流。
按照本发明，第一时间延迟是间断的，并且只要在短路后再建立了电弧，主电流就立刻导通。这出现在初期短路期间。然后主电流增加到等离子电平值等待有效的转移短路。因此，在端头的金属珠或焊条不受高推斥力的影响。熔珠不会由于电弧喷射而分离的重复瞬间短路而变大。本发明正是鉴于这样的认识并且通过允许在正常转移短路期间实现金属转移到焊槽从而克服初期短路产生的问题，而在初期短路形成期间仅提供小电流状态。这样，高电流不会象在不具备减小起始短路电流的系统中出现的那样、导致熔珠自焊槽中抛出的高强能量。但是每当紧跟在一个短路状态之后出现电弧时，本发明就不考虑小的或基本电流的控制特征，如果有的话，就会象初期短路中出现的那样。通过应用本发明，一般可避免初期短路。另外，焊接电流不被迫采用纯粹基于时间周期之上的预定电流电平值的组合，正如现有技术中为了除初期短路控制之外的其他原因而有时应用的那样。
总之，初期短路作为溅洒的机械成分和利用本发明几乎取消所有初期短路的概念是控制溅洒的实质性改进。按照本发明，每个短路假设为一个初期短路并且焊接电流减小到基本电平值，这样焊槽的搅动和电弧力都被减至最小。这样大大增加了这样的可能性即甚至熔珠和熔化的焊槽之间的初期接触也将通过焊槽表面吸引变成正常的、所希望的转移短路如果初期接触或短路是异常激烈的并不能或没有变成转移短路，那么熔珠在低的基本电流电平值条件下接触和自熔槽分离开来，这么一个事实几乎消除了在这儿称之为初期短路非转移作用而产生的溅洒。
通过认识和克服初期短路的缺点和通过使用主电流和基本电流之间的转换也解决了高能量熔丝断开的问题，从而从根本上解决了焊接溅洒的问题。
通过利用本发明的原理，没有其他减少溅洒技术中的复杂性和电流曲线形状就能大大地减少普通短路型焊接的溅洒。
本发明的应用减少了熔化的焊槽激烈的振动，减小了溅洒趋势。另外，较平静的焊槽使表面张力更好地将两个焊接件焊口部分连接起来。随着由高能熔丝断开和初期短路引起搅动的减小，焊槽也将更好地与被焊工件相吻合。在较少搅动时，焊槽允许在焊接位置以外使用较大的电极焊接。短路电弧长度能一直被保持而不截断。因此，本发明允许使用较大的电极，高的熔敷速度，高的电流以及也可通过收集防护气体减少污染。
本发明的主要目的是提供在主焊接电流和基本焊接电流之间控制电流的方法和装置，以便大大减少短路型焊接系统中的溅洒。
本发明的另一个目的是提供上面所述的方法和装置，该方法和装置不以预定一系列与减少溅洒实际要求无确切关系的电平值方式控制焊接电流。
本发明的另一个目的是提供上面所述的方法和装置，该方法和装置避免初期短路产生由焊接操作飞溅出的大颗粒。
本发明还有的另一个目的是提供上面所述的方法和装置，该方法和装置可使用大范围的焊条直径。因此，能在无有害溅洒情况下使用较大焊条。术语“焊条”和“电极”用来或多或少地意味着可拉长的自耗的金属电极熔入焊接区域以便在焊接过程中转移。本发明也可使用手柄电极。
本发明的另一个目的是提供上面所述的方法和装置，该方法和装置能使用在转换器型，发电机组和传统的变压器型电源中。以往的溅洒控制系统主要被限于高频固体器件转换器，因为这些电源实际上呈现减小的输出回路中的感抗。过去溅洒控制系统要求低输出感抗。
本发明还有另一个目的是提供上面所述的方法和装置，该方法和装置中使用了达林顿功率管。这种型号的晶体管是有高速开断时间和高额定电压和高额定电流。
本发明还有另一个目的是提供上面所述的方法和装置，该方法和装置允许大电流在转移短路期间在焊条和在被转移材料熔珠之间开始形成颈部形状，然后，突然正好在颈部象熔丝破裂那样断开前减小电流。这个在“破裂”或断开时的减小的电流产生了在颈部断裂再次起弧期间的低能量。在形成颈部起始阶段的高短路电流导致了事实上的电致收缩。已被公知的电原理证明了的优点是电致收缩与流过焊条和工件之间的熔化的金属珠的电流的平方成正比。如果在颈部已经形成并接近断开前关断或减小电流，则所需的颈缩现象会受到相反的影响。颈缩随着高电流开始，并然后在颈部的压缩作用仅仅用在熔丝立即要断裂前才施加的小电流维持。
本发明还有另一个目的是提供在短路电流型焊接加工中减少溅洒的方法和装置，它能使用各种防护气体和使用各种类型和大小的焊条。
本发明还有另一个目的是提供一个减少溅洒系统，该系统既减少了金属转移脉冲结束时的颈部断裂溅洒也减少了金属转移脉冲开始时的起始短路溅洒。
通过以下结合后面附图的描述，这些目的和其他目的和优点将会更加清楚。
图1是本发明推荐最佳实施例的短路型焊接系统的原理图;
图2A、2B和2C是描述短路状态期间在焊条端上形成的和在熔丝断开时的熔化金属发展过程示意图;
图3是如图2A、2B和2C所示的有标准金属转移期间的焊接电流波形图;
图4示出了本发明详细操作特征的电压和电流波形图;
图5是用于预测如图2C所描述的熔丝或颈部断开出现的选择系统线路图;
图6A，6B，6C和6D是描述在本发明中应用的术语“初期短路”和这一意想不到现象的某些物理和电气特征。
图7是焊接电流波形图，该焊接电流展示了某些有关如图6A-6D示出的初期短路现象的电流特征。
图8是示出了继所要求的金属转移短路之后的两个不希望的初期短路的电流曲线，图中时间横坐标是扩展和中断的，电流在纵坐标方向有些扩大;
图9是表示在图10中描述的本发明特征的本发明最佳实施例的方框图;
图10示出了为减小颈部电流使用了本发明的一个特征的焊接电流波形图。
图11示出了全面应用本发明的金属转移脉冲波形图;
图12描述了具有保护大功率达林顿管免受高压和大回路电流的元件的本发明最佳实施例;
图13是实际应用在本发明最佳实施例中的具体电路的线路图，该图分成标号为图13A和图13B的两张图;
图14是焊接工序每个状态的焊接电流，电弧电压示意图，并且将一个标准的短路焊接系统和一个应用了新的溅洒控制系统的系统加以比较。
现在参见附图，其中所示的是为了说明最佳实施例的，并不是限定该实施例的。图1描述了按照本发明构成的焊接系统A。系统A包括减少溅洒或后面所需的控制电路SC。因为溅洒控制电路SC能附加于标准短路型焊接装置，图1的系统A描述的部件通用于不论是否应用本发明的电路SC的焊接工序。图1首先被用来解释在短路型焊接中的一般背景和原理。通常用于系统A的部件包括具有常压输出的传统变压器型电源，该电源内部具有感抗，以防止使用普通固体器件开关过程焊接电流的快速间断。输出线12，14经过气体喷管20，焊条22和工件30相串联。这些部件安排在一个串联回路中，以示意图形式描述在图1中;为了沿着工件焊上焊缝，对着工件30上的焊槽提供焊条22的机构是系统A必备的部件，但是，这样一个普通的焊条供给机构不构成本发明的一部分。本发明能适用于标准短路焊接方式，就象借助于在图1系统A中描述的标准部件所说明的那样。这系统应用一个传统的提供经过焊条22和电弧或等离子体P的电弧电压的变压器型电源。这个电压导致焊接电流从焊条22流向工件30。按照一般实践，一种适当的防护气体直接从围绕着焊条22的喷管20中喷出，以便减少氧化作用和减少焊接在工件30焊槽中金属的污染。当然，或者工件30或者包含有喷管20的焊头被沿着所要求的轨迹移动，以便或者在工件表面上或者在两个相接工件间形成的槽中焊上线形的焊缝。
在正如所讨论那样的标准短路焊接方式中，由流经焊条和工件的焊接电流使金属从焊条上焊着到工件中，该焊接电流在焊焊棒或焊条同工件接触的短路状态和电弧状态或等离子状态之间变化，在后二种状态中在焊条和工件之间存在着一间隙。这个焊条下面的间隙被电弧或等离子体跨接。术语“工件”是指已经被焊着在加工表面的焊槽或者工件本身，这个定义在这里是为方便起见使用的。图2A、2B和2C简单地描述了短路转移现象，它转移了在焊条22端部的熔化的金属，并且借助于表面张力把该熔化金属拉向包含有上述焊着的金属的熔化的金属焊槽使得该熔化的金属焊着在工件上。这个焊槽事实上是动态的并且在喷管20沿着工件逐渐移动后的一段时间里仍保持它的可流动性。众所周知，焊条底部离工件或者熔化的预焊槽保持一段的距离b，它实际大于焊条的直径a。事实上，直径在相当大范围内变化仍能在使用本发明的焊接系统中使用。过去，为减少溅洒使用的典型的小焊条直径为0.035英吋，因为这样小焊条会被限制在焊槽之中，如果有溅洒的话，溅洒发生在焊条端部的周围，当焊条将金属焊着到焊槽中去时，事实上也把溅洒收集到焊槽中了。由于空间b大于直径a，如图所示熔化的金属滴或珠在几何上呈比半球大一些的球形。这种球型便于分离并且表面张力使它从焊条22向熔化的焊槽或工件30转移。总之，在标短路焊接方式中，电流从焊条22通过，并且在焊条底部和焊槽或工件30之间产生电弧，从而电弧或等离子体的热量使焊条22的端部熔化。这熔化的材料在大小上不断增大直到它由形成的珠B跨接在图示为空间b的间隙并形成短路。由于当这短路产生时电路的电阻急剧下降，焊接电流立刻增长而电压立刻下降。该快速电流增长示于图3所描述的金属转移脉冲MT左侧，在图3中描述了正常短路金属转移的焊接电流。焊接电流IW有一个正常的电弧或等离子体电流电平值Ip，该电流电平值Ip是最小电流电平值并主要受输出电阻控制。在电弧或等离子体期间，当等离子体电流Ip流过时，有一个金属转移短路的脉冲MT，在这段期间焊接电流IW增大并然后减小回到等离子体电流Ip。过程MT，其在转移短路出现时是标准的，包括一个上升边，即快速增长曲线边50，该边是从点S增长到最大值的。短路状态描述在图2A。当电流增加，珠B由表面张力紧贴着熔化的焊槽并且遵循电致收缩效应形成明显的颈部N。颈部N的直径由于按照诺思勒普等式电流所产生的力而减小。因此，当颈缩开始时，图3中焊接电流曲线IW由于当颈部直径快速减小时增加了电阻而向相反方向变化并开始减小。由于颈缩力或电致收缩效应随焊接电流平方变化，相当大的力加到了珠B的顶部，导致颈缩快速进行下去。因为这个原因，当通常如图2B所示的颈缩一开始，颈部直径就以加速度速率迅速减小。这样导致如图2C示意表示的熔丝作用或颈部断开F。这在图3中点54的断裂立刻再起弧在焊条22和工件30之间产生等离子体或电弧，以致于电流IW开始沿曲线MT的55部分迅速下降。然后当电弧稳定时沿曲线56渐渐下降。在金属转移短路脉冲MT的顶部52，电流微分di/dt改变符号，变成为负的。只要颈部一形成，颈部立刻如顶点52和断裂点54之间速度线57所描述的那样断开。金属转移过程MT的时间常数部分跟随着紧接在断开点54之后的沿线55开始快速下降之后。如图见到的那样，颈部开始形成就在短时间TN里立刻断裂，这已示图3中其中还标出了刻度。
总之，熔珠B在焊条22端部形成并变大直至它与焊槽或工件30相接触，如图2A所示。然后表面张力拉焊条22端部的熔珠，接着电致收缩效应使熔珠B作如图2B的N处所示的颈缩。其后立刻如图2C所示，熔丝断裂。如图3所示，在熔断F点处电流接通300安培;因此，当熔珠B与焊条22分离时，有巨大的能量要释放。这将导致熔化的金属溅洒，如图2C中箭头SP所指示的。这溅洒是带有高动能溅洒金属向外的飞溅并能飞离实际焊接操作一定距离。以往为了减少溅洒SP，减小焊条22的尺寸以便把电弧埋在焊槽里，这样就使焊槽能收集到大多数熔化的金属颗粒并减小了把溅洒颗粒抛出焊槽的趋势。还有，提出的控制金属转移期间金属转移脉冲MT的曲线形状的复杂电路。这些现有装置企图迫使脉冲MT以预定的脉冲曲线形状进行。通常这过程是馗吹模还芩鞘欠裥枰膊还芙鹗糇圃谑导噬鲜欠癯鱿帧１痉⒚魍ü灾两裎垢萃 系统A的某些部件讨论的传统系统仅作较少改进、就克服了这些缺点。如图3所示的正常的焊接电流曲线通过对迄今已描述的正常的短路电流系统的简单易行的结构改进加以控制。
再参见图1和图4，为了完成本发明的最佳实施例，附加结合到系统A的标准特征的部件已在图1中描述了，溅洒减少电路SC包括与达林顿功率管开关SW并联的电阻R。这个并联电路与喷管20，焊条22和工件30串联。为了实施本发明最佳实施例，溅洒减少电路SC还包括用于操作开关SW的固体器件逻辑控制系统L。相对于焊接位置的参数操作开关的方式基本上消除了在标准短路焊接中产生的溅洒。控制系统L操作达林顿开关SW或者导通或者断开。当断开时，电阻R与焊接操作串联产生低电平值焊接电流，对应为基本电流IB。实际上，电阻R为1欧姆，这使得在开关断开而主电流将近300安培时，加在电阻上的电压达到约300伏。因此，不论开关SW状态如何，事实上，电源10从来没有断开和接地，来使焊接操作电流减小。仅仅在通过开关SW直接接通和通过一个电阻R接通之间的开关选择导致焊接电流IW或者(a)按照标准脉冲MT出现、或者(b)被用逻辑控制系统L打开的开关SW降下来。本发明的一个方面是使用了一个接有额定值为几百安培和几百伏特大功率的达林顿管。接有晶体管网络SN的达林顿管是可取的，因为它具有在大电流条件下快速开关能力。这种型号开关是本发明的一部分，本发明在开关打开或在截止状态，必须在小于约120微秒时间内，将焊接电流从高电平值的主电流降为低电平值的基本电流IB。
一个合适的电压传感器，在框图上表示为装置60，和一个电流传感器62以瞬时焊接电流IW和弧电流EARC提供给逻辑控制系统L，使得逻辑控制系统L打开和闭合开关SW，以便提供如图4所描述的焊接电流控制。本发明的基本状况已用图的形式在图4的上部图中表示出来了。该图描述了电压波动情况。下图描述了相应于上图电压曲线同一时间轴的通过焊条和工件的焊接电流IW。
为了估价本发明减少熔断能量、减少溅洒SP状况，直接看看图4中金属转移脉冲MT(NEW)的右手边。这脉冲有一个曲线形前沿，边或曲线100直接对应于弧压的102部分，弧压将结合用于脉冲MT左端的本发明的另一方面加以描述。当电流IW往右增加时，斜率最终下降，电流在曲线100右端的这种变化导致电压斜率在104部分的微小增加。电压的这个增加对应于转移脉冲MT(NEW)的上部、大致平缓的部分。当电流接近0斜率和当电压处于增加斜率时，颈部N开始形成，如图2B所示。在这种情况下，按照本发明的这方面，或者通过检测di/dt或者通过检测dV/dt，开关SW被打开。这就立刻把电流转换为低基本电流电平值IB，其用简图说明于图4，约为50安培。只要电弧电压EARC不超过一个预定值，如在上部电压曲线中描述为10伏，焊接电流就处于这低基本电平值。然后颈部断开。短路电流消失并且电压沿着垂直线106上升。当电弧电压EARC超过预定低电平值(即事实上为10伏)，当它沿直线106运动时，开关SW被闭合，并且焊接电流IW沿着曲线110运动，该曲线是上升到等离子体或弧焊电流值IP的时间常数曲线。如图所示112部分。这等离子体电流实际上如所描述的超过200安培。同时，电压呈现稳定状态，处于108部分，图示为略高于20伏。
脉冲MT(NEW)导致从焊条到工件，即熔化的焊槽的金属转移，这与传统的金属脉冲MT一样。在图4中时间Tp是脉冲的金属转移部分。如上面所解释的，本发明的第一方面出现在脉冲MT(NEW)的尾端并且包括识别什么时候颈缩开始，以便预料熔丝破裂。然后焊接电流IW通过打开开关SW并且接入如图1所示的电阻R，再一次仅允许基本电流IB流通的方式，被转换到显著低于等离子体电平值IP的低电平值。一个小电流，低能量的熔丝断裂就发生了。在断裂时，金属转移脉冲被截止，电弧被建立，并且电压沿直线106上升。这使开关SW闭合。主电流被允许导通，并且沿着从如图4中描述的低于50安培的低电平值IB开始的时间常数部分增加。焊接电流沿直线110向等离子体电平值112快速增长即为时间常数曲线。通过使用开关SW，电流再建不会超过正常等离子体电平值IP向上变动。这种不希望的电流上升将导致点燃电弧的控制困难，因为施加的电流将实际上高于点燃和维持等离子体所需的电流。按照本发明的第一个方面，电路SC被设计为就在识别到逼近熔丝断裂时降低电流至低电平值。另外，焊接电流IW被保持在低基本电平值IB是在T3时间里，事实上，T3为10毫秒。但是，电路SC有一个控制参数，以致于只要电压VARC超过一个预定值，在此例中为10伏，开关SW被闭合。因为当颈部断开时弧电压上升，电压的升高总是先于时间T3。因此，电路SC持续作用T3的时间延时仅仅是防止故障的特征，它保证在刚好颈部断开前沿着通常的垂直前114转换到基本电平值IB以后，电流IW将最终回复变化到在点或位置112的等离子体电平值IP。
现有技术没有教导识别颈缩、转换到低电平值基本电流，然后在重建电弧和等离子体时没有大大超过等离子体电平值IP而是返回自身的等离子体电平值的原理。变化到低电平值IB是沿着垂直线114进行的，它是足够迅速的，以致于以将近6∶1的比例减小电流。一般在现有技术中电流的变化是沿着一个时控常数曲线，然后在其后以某一预定时间回复电流。本发明通过使用达林顿开关SW使IW立即关断，来实现焊接电流精确控制的，其中，在输出电感器或电源线中没有将会导致回复曲线中超过要求的等离子体电平值112的电流储存。
现在参见图5，一个检测金属转移脉冲的顶部52的电路被示为一个di/dt检测器，借此，当电流从正斜率变为0斜率，线号为120的相应的输出由逻辑控制系统L处理并被用来打开开关SW。电路通过微分器122得到焊接电流IW的一阶导数。在导线124上的导数被放大器126放大并且直接输入比较器130的输入端128。输出提供一个逻辑信号、指示什么时候Kdi/dt处在预定电平值。为检测脉冲MT的顶部52也可提供其它装置。由间隔TN表示这顶部52和熔丝断裂点54之间的时间。如能通过在图3中图形的标度可见，时间间隔TN是很小的。一旦在线路120出现了检测信号，开关SW就立刻打开。这使电流IW沿着直线114急骤下降到基本电流电平值IB。电流IB远低于等离子体电流IP，如图4所示。
按照本发明的另一个方面，溅洒控制SC是由通过初期短路现象导致减少溅洒的特征提供的。按照这一特征，如图4所图示的，当任何形式的短路发生时，电弧或者等离子体电流IP立刻降到低于50安培(即基本电平值IB)。通过逻辑控制L打开开关SW使电压沿着直线116快速下降，使电流IW沿直线118下降。当短路第一次出现时，焊接电流IW变为基本电流IB。基本电流IB主要是由电阻值R控制并在预定时间或周期T1内保持为IB。在这周期或时间T1过后，开关SW闭合并且处于低电平值120的电压开始升到稳定状态电平值102，如以前讨论的一样。一旦短路被检出，电流下降并保持低电平值一段预定的时间消除了初期溅洒。
为了评价溅洒控制如何减少初期短路溅洒，某些“初期短路”现象的技术特征如图6A、6B、6C、6D、7和8所示。现在参见图6A，当熔珠B在焊条端部形成时，在一些情况下，珠没有由于表面张力立刻和熔化的焊槽相接触，也可能如图2B所例举刚好碰到焊槽。这通过认识焊槽是承受高电弧电流、重力和电磁力的熔化金属来解释。它象一个水波浪体。在许多场合，如图6B所示，通过熔化金属波面碰到珠B在短时间内，焊槽吸引珠B。在吸引熔珠B的焊槽中的波动导致了电和机械力，有时把珠从波动的焊槽中抛出，如图6C所示。因此，当珠B接触焊槽WP时，就存在短路。这短路能被机械力立刻断开，如图6C所示。当这个过程继续并珠B不被焊槽吸收，通过在焊条22端部熔化作用使珠继续变大。最终，珠从焊槽中抛出为相当大量的熔化金属，这就形成了溅洒。由于大量金属珠，由这些初期短路引起的机械溅洒导致大量金属立刻任意地沉积在焊接区的周围。这些溅洒粒子实际产生了清扫问题和导致焊接材料及焊接能量的浪费。图7描述了当如图6B所示的在初期短路珠B接触焊槽WP时的电流和电压波动。当珠接触但没有转移时，它如图6C所示被撞出。当珠接触焊槽时，通过珠B的电流增大。当电弧被建时，如图6C所示，这增大的电流产生力，趋于把珠从焊槽抛出。当焊槽和接触珠之间的电流增加时，初期短路使得电弧电压向降低方向变化。这被示在图7的下面曲线。一旦由珠和焊槽之间的机械力导致断开时，电压垂直向上变化，沿着直线130达到等离子体电弧电压电平值。因为在初期短路状态对于使熔珠B拉入到槽中的表面张力，接触面还不大，该初期短路引起珠B增大并引起了使珠B产生动量的大机械力，它有助于使珠从焊槽中抛出。这个初期短路现象以图介方式描绘在图8上，其中在一次有效转移短路到来前焊接电流IW经历了一系列的初期短路。在很多场合下，熔珠在一个或多个初期短路以后保持熔化，然后进入一个不引起大颗＝θ鞯谋曜甲啤５钦獠皇蔷７⑸摹８贸跗诙搪芬鹑壑锽增大并由于在短路状态时的大机械力使其向外排斥。如果忽视了如图8中描绘的、以小脉冲140、142表示的初期短路效应，则将招至大颗粒的溅洒。这种形式的焊接溅洒表现得比图2中熔丝F断开形成的溅洒较为清洁些。利用本发明一旦短路被检测出来立即利用减小电压电平值使焊接电流下降到基本电平值IB，如图6A、6B、6C、6D、7及8所示的初期短路就不会发生。该低电平电流IB允许金属接触面增加，于是发展成移转短路，故没有大电流促使形成初期短路。
在图4上的“初期短路”曲线部分描述在低电平电流IB供给的T1时间中，当某些瞬时的机械搅动产生了初期短路时将发生什么情况。再参考图4，其中周期或时间T1为10毫秒，这个时间实质上大于图8中所示现有技术的脉冲140、142的宽度确定的初期短路时间间隔。假如在使用本发明时产生了一次初期短路、如图6B所示，则主控制识别出电弧电压降低到小于预定的动作值。于是电焊电流由于开关SW的打开而下降。根据本发明，在任何短路期间流过的电流的降低就降低了引起初期短路条件的机械力。该电流IB大大低于主电流电平值，因而有利于产生大的接触面及易将熔珠转移到焊槽中。
在图4中点150上，如果机械搅动使熔珠B从焊槽上移开、如图6C所示那样，则电弧将重新在电流电平值IB处建立起来。这个小熔丝断开时所形成的能量就减到极小，农业也就减少了在该小熔丝断开时形成的溅洒。电弧电压迅速沿152上升一旦电弧电压超过了预定值时开关SW将闭合，该预定值是控制装置SC中整个时间有效的、起决定作用的动作条件。然后该焊接电流IW将从基本电流电平值IB上升到等离子电流电平值IP。
电源10在等离子电压时是一个恒电压机组，其电压为20-30伏左右，而在短路时它输出在1-6伏普遍的范围中。在使用这种型式的机组时，利用闭合开关SW提供的主电流能使焊接电流达到正常安全电流电平值，如图4中上升线100所示。当开关SW打开时，电阻R控制焊接电流处于低的基本电流电平值IB。慨括地说在本发明中，主电流是正常安全电流，而基本电流是由电阻控制的电流。
现在参考图9及图10来说明使用本发明的优点。根据本发明，在金属转移期间，在开关SW闭合时电流上升，如脉冲MT(NEW)所示，它从一个低电平基本电流IB上升到检测到的顶部电流52a在这个时间点上开关SW打开，因此电流沿180部分下降。这种作用是由于受到包括线圈190的感抗XL在内的时间常数的影响，通常该线圈位于电源10的内部。这个感抗还包括从电源引到焊枪20及工件30上的导线12、14的长度产生的电抗。电流从顶部52a下降到基本电流IB的时间是以公知的Io公式表示的，它是相当短的。因而在熔丝断开时间的电流将依赖于熔丝断开前开关关断的导前时间。为使熔丝断开，所选择的导前时间接近于端部52a上的最大电流的10%，这时该最大电流为200安培在达到端部52a后电流的下降与从等离子电流IP向基本电流IB的原始下降部分在一起产生了当熔丝F炸开或断开时、响应流过焊条22剩余电流分离能量的显著下降。该能量的下降因而是由二个现象形成的一个是在低的基本电平值时起动转移脉冲、实际中该基本电平值小于50安培;另一个是利用达林顿三极管开关立即打开该开关并使电流控制到受电阻控制的电平值。
使用本发明的电源或电焊系统具有三个确定焊接电流的不同阶段首先，电流是电弧状态期间的等离子电平值;其次，为了响应短路电流被压低到基本电流电平值;第三，在由金属转移形成的短路结束时电流再一次被压低。在金属转移期间，电流是由电路的电参数控制的。在图11上描述了一个标准金属转移脉冲期间的这些不同的焊接电流阶段。这个图大致对应于图4下面部分中的脉冲MT(NEW)。在降低溅洒控制电路SC中，每当电弧电压超过了预定值时，这种情况下电压为10伏，开关SW闭合使主电流通过开关传导到焊接操作部分。在脉冲MT(NEW)期间该主开关是闭合的，因此在图4的120部分的基本电压VB上移到大致水平的部分102上。
图11描述了一个时间延迟T2，实际中它为100微秒并发生在周期T1的紧后面。当在本发明选择的实施例中应用了这个时延周期时，该延时抑制了一个检测电路，该检测电路是检测在接近曲线100端部52a处熔丝即将断开时刻用的。这个电路描绘在图5上，它检测di/dt符号的改变。图13公开的电路用于饬考凹觳獾缁〉缪沟脑ざㄐ甭驶蚴俏⒎种担布磀V/dt。这个检测电路直止延时T2终止时前一直被抑制住。当考虑到如图4所示的、紧跟着开关SW闭合后电弧电压的122部分时，就便于理解设置该功能的原因。该电流引起了电压的升高，接着就产生了一个dV/dt的值，它可能因为电流的增加误触发dV/dt电路。这样就会使开关SW误打开。为此原因在周期T1结束及开关SW闭合以后设置了一个延时T2。
在转移熔丝及在熔丝断开前沿电流沿线114下降的时间中设置了时间T3。时间延迟T3跟随检测信号200及具有一个最大值，该检测信号是由于对曲线100上正好在熔丝炸开或断开以前的点作检测产生的。时延T3表示在图11上，然而即使它被用上的话也是在很少的情况下才用。当开关SW响应检测信号200打开时，熔丝在流过低电流时断开。然后电弧状态迫使电压沿图4中线106上升超过10V界限，其作用是使开关SW合上并使电流沿线110上升到112部分，它是等离子电流电平值。由于切断短路产生电压的立即升高使本发明的系统恢复到原来状态，以图进行下次金属转移周期，并且在焊接电流脉冲的前、后沿重复进行控制。在脉冲的中间部分存在着沿线100，102的一个浮动状态，如同在对照图4的说明那样。如果电弧没有能使电压上升致使开关闭合，该开关将在时间T3以后闭合。
如图12中所示，当控制信号210打开开关SW时就产生了基本电流的控制。其结果使电阻R(1.0欧姆)直接投入到电焊电路中并将电流从开关SW上移过来。为了解释本发明的一些特点，假设等离子电流IP(如图4中所示)为300安培左右。当该开关为了响应由短路状态引起的电弧电压的下降而打开，于是在开关闭合时的300安培电流在电阻R上形成了300伏电压降。这个大电压直接地加在达林顿三极管开关上，为了减少在关闭期间的开关SW上的压降，用具有其值为30mf的电容器192与电阻R并联。其结果是电阻R上的电压随着电容器192的充电上升到300伏。在该例中，使电容器192充电到300V大约需要30微秒。达林顿管集电极电流实际的衰减时间小于5微秒，因此电容器192的充电保护了达林顿三极管免于超过其开关损耗功率。用一个缓冲器或二极管194防止电容器192在其本身充满电及开关SW导通时经过开关SW放电。电阻R根据本发明至少具有二个不同的功能电阻R用于确立基本电流IB的幅值。如果图4中电源10的电压是直流20V，则基本电流的值由20V除以1.0欧姆即算出为20安培;其第二个功能是电阻R保护达林顿三极管开关SW免于过电压。电阻R的基本优点在于由于电阻R与达林顿开关管SW并联就不需要使用第二个电流源来产生基本电流。此外，也就不需要在第二状态或参数的基础上设法控制电流的复杂电路。仅将电阻R与达林顿开关管SW并联就能在开关闭合时产生主电流，及在开关打开时产生基本电流IB。这就是提供电流电平值的统一慨念使用了统一的系统作到对两种溅洒的方便控制、这两种溅洒即由熔丝F断开引起的电类型溅洒及由初期短路现象引起的机械类型溅洒。利用电容器192与电阻R并联，使开关刚打开与关断时电感190所储存的能量得以耗散。这种能量的耗散发生很快并且在开关SW导通或合上前就已完成，图4中虚线126表示开关导通时刻。因为这个能量被耗散完了，所以曲线110能够沿由线圈或扼流圈190的时间常数决定的曲线逐渐上升合并到等离子电流电平值上。如果没有这个电阻与其电容器用于耗散电感上储存的能量，就不会有基本电流，因而也就没有低电流熔丝作用形成的离子化状态，于是就引起了不稳定的电弧起动或再触发。
图13A及13B一起描述主要实施图4及图11中所示的本发明的优选电路。其中每个元件均有标值，因此该电路多少能由本身作出说明，故仅需对电路的工作原理作一简述就足以使人理解该电路是如何取得本发明的各参数的。电弧电压通过一个噪音抑制电路300其输出302标有“电弧电压”。在导线304上的参照电压与输出302在比较器310上进行比较，在输出端312上产生一个逻辑电平。该导线上的逻辑电平控制一个单稳多谐振荡器或球脉冲发生器320，当导线312上逻辑电位降到零时该发生器320被触发，这时表明“电弧电压”已下降低于导线302上给定的参照值。当该触发器被触发时，在Q的输出322上出现一个1.0ms的负脉冲用于控制与非门330。导线322上的逻辑0迫使与非门330的输出332为逻辑1，它利用相应的电路340使开关SW打开。控制导线322大体相应于图12的控制信号导线210。以此方式，开关SW关闭了相应于周期T1的时间1.0毫秒。如果“电弧电压”上升高于由参照导线304确定的预定值时，其输入352与导线312相连接的复位发生器350的输出导线354降到逻辑0，于是就对球脉冲发生器320作清除并且使T1时间脉冲结束，将逻辑1输给门330的输入导线322上。氪送保枷 54上的复位逻辑使熔丝时间发生器360恢复-如果这时它未被恢复或清除的话。因此逻辑1的脉冲传送到导线362上。这个逻辑1与输入322上的逻辑1组合使导线322上产生逻辑0。这就使得每当电弧电压超过预定值(本实施例中该预定值为10伏)时导通达林顿三极管。该预定电压值选择得大于焊条22上的压降，以保证对于正确检测应有的足够有效电压。
如前对应图5所讨论的，由dV/dt的检测就能判断熔丝F在什么时候发生收缩。在包括图13A及13B的图13中，电弧电压的微分与常数K进行比较，使得当熔丝颈部N刚一建立时就能将其判断出来。这用图示的方式描绘在图4上部的104部分。为了完成dv/dt与K的比较，在图13中所选择的电路使用了采样与保持概念。采样振荡器380在输出端382产生一系列采样脉冲，它被输到采样与保持电路390，用于在导线302上接收到电压时在精确的时间间隔中采样电压。采样与保持电路390的输出为导线392，接着使所保持的采样电压与导线302上的瞬时电压相比较。这两个时间间隔的电压值(即VN及VN-1)利用比较器400进行比较以产生电压对时间的微分。该微分信号用放大器410放大，在导线412上产生一个电压对时间的微分值。常数或K利用电位器414进行选择，所选择的常数经由导线416并经由导线418传到触发器420的输入端。当dv/dt超过斜率K时，触发器420发出脉冲，它将逻辑1传到导线422上，使得导线362上产生逻辑0，导线332上产生逻辑1，由此关断电路340。如上所述的，当电压小于10伏时，开关SW打开一段时间T1，该时间当电压超过10伏时就中断了，如同在初始短路时可能发生的那样。这将引起了周期T1的中断，如图4中曲线152所示。在短路期间开关SW闭合，触发器420等待导线418上的信号指示出dv/dt已经超过常数K。当这情况发生时，在导线362上出现了1.0毫秒的脉冲，使导线332保持逻辑1。这就是在图4中所示的时间或周期T3，这个周期通常总不会被达到，它仅是一种后备保险功能，使系统在短路后移到等离子电流上。在这发生前，电弧电压沿曲线106上升到一个超过预定电压10伏的电平值。这引起了恢复发生器350恢复熔珠脉冲发生器320，使导线322置于逻辑1。与此同时，导线354上的恢复脉冲使导线362上产生逻辑1。这两个逻辑1输入到门330的输入端，使导线332上产生逻辑0，它使开关SW闭合。
用时间T2表示的抑制功能，如图4所示，其保证导数触发器420直到T1后的100微秒结束时才工作。这是由另一个单稳多谐振荡器430来完成的，它有一个输出端432，该输出与熔珠脉冲导线322上的逻辑值在与非门440上进行逻辑组合。其输出端442标有“保持清除”。该端442保持逻辑1直到由导线322上的逻辑表示的周期T1期满，然后再等到导线432上的100微秒负脉冲期满。该脉冲被示于图13B的底部只要在导线442上保持着逻辑1，触发器420就不能被翻转到在导线422上置逻辑1。因此，在周期T1结束后的时间T2使微分电路在短时间保持不起作用，该短的时间用于使电压及电流稳定下来并工作在移动状态，该状态用以等待在金属转移脉冲MT(NEW)的顶部52a或接近该顶部处的最终检测。
现在参照图14，上面的波形描述具有电弧喷射力及在第一阶段Ⅰ就产生了等离子的标准短路电焊操作的各个阶段。在阶段Ⅱ及Ⅲ中熔珠开始增大，然后在阶段Ⅳ发生了具有溅洒的初期短路。在初期短路结束以及转移开始以后，在阶段V上熔珠开始缩颈。过后熔丝在阶段Ⅵ开断。对于这些阶段的电压及电流曲线在图中是描述不具备本发明减少溅洒装置系统的，标有“标准过程”。与使用本发明相应的曲线给在图14的下部分中。由图可见本发明维持了受控制的等离子电流以及控制了转移脉冲作到接近于消除焊接的溅洒。
根据本发明，设有一个电压响应超越值，在该值下，每当电压大于预定电压时就利用开关SW的闭合提供电流，在图示的实施例中预定电压为10伏。该超越电压值通常选择在电弧或等离子电压的一半左右。
权利要求
1.利用一个电焊电源由短路转移方式从焊条上将金属熔积到工件上的一种减少溅洒的装置，其中焊接电流使焊条在短路状态及电弧状态中变化，在短路状态期间金属转移需要转移时间TP，在该转移时间中焊接电流上升，然后当所述焊条的熔化部分转移到所述工件时电焊电流下降，所述装置包括(a)检测代表焊条及工件之间电压的控制电压检测装置；(b)比较装置、它用于在所述控制电压小于代表短路状态的预定电压时产生一个短路信号，以及在所述控制电压大于所述预定电压时产生一个电弧信号；(c)开关装置、它具有其中所述焊接电流是允许达到的正常安全电流的第一开关导通状态、及其中所述焊接电流是低电平基本电流的第二开关断开状态；(d)第一转换装置、它响应所述短路信号将所述开关装置转换到第二开关状态；及(e)响应所述第一转换装置的装置、它用于使所述开关状置保持在所述第二状态一个时间周期T1、周期T1具有的最大时间间隔实际上小于所述转移时间TP。
2.根据权利要求1的装置，它包括根据在所述最大时间前出现电弧信号结束所述周期T1的装置，该结束周期T1的装置还包括根据电弧信号的产生将所述开关装置转换到所述第一状态的装置。
3.根据权利要求1的装置，其中所述基本电流小于50安培。
4.根据权利要求1的装置，其中所述开关装置包括一个固体开关、它与所述焊条及工件串联。
5.根据权利要求1的装置，它包括检测在从金属焊条与工件接触的短路状态急剧地变化到周期T1后金属转移时间Tp期间的电弧状态前刚好发生的预定电参数的检测装置，及根据检测的所述参数将所述开关装置转换到所述的第二开关状态的装置。
6.根据权利要求1、4或5的装置，它包括在电路中有一低电阻值的电阻与所述开关装置并联，当所述开关装置处于所述第二关断状态时所述电阻控制该装置到所述基本电流。
7.根据权利要求6的装置，它包括与所述电阻并联的电容器及一个与所述并联的电阻及电容器串联的缓冲二极管。
8.根据权利要求1的装置，其中所述电源包括一个输出电感线圈，并且所述开关装置位于所述电感线圈及所述电焊条之间。
9.根据权利要求4或8的装置，其中所述开关装置是一个固体功率元件。
10.根据权利要求1的装置，其中所述开关装置是一个达林顿型大功率三极管。
11.根据权利要求1的装置，其中所述转移时间Tp一般在2至5毫秒的范围内及所述周期T1的最长时间实质上小于2毫秒。
12.根据权利要求1或11的装置，其中所述周期T1的最长时间约为10毫秒。
13.根据权利要求5的装置，其中所述电参数是一个电特性对时间轴的斜率与参照值之间的差。
14.根据权利要求13的装置，其中所述对于时间轴的斜率是在产生所述焊接电流的电压的斜率dV/dt。
15.根据权利要求5的装置，其中检测装置包括测量及储存一个电特性的装置，及将所述储存特性与所述特性的即时值的差与一个参照值进行比较的装置、以检测所述参数。
16.根据权利要求5的装置，它包括于周期T1以后紧接着在时间T2期间抑制所述检测装置的装置。
17.根据权利要求1的装置，其中时间T2至少为50-100微秒左右。
18.利用一个电焊电源由短路转移方式从焊条上将金属熔积到工件上的一种减少溅洒的方法，其中焊接电流使焊条在短路状态及电弧状态中变化，在短路状态期间金属转移需要转移时间Tp，在该转移时间中焊接电流上升到一个最大值，然后下降，所述方法包括下述步骤(a)将所述焊接电流转换到基本电流值，以响应短路状态;(b)将所述的焊接电流通常保持在基本电流上一段预定时间;(c)允许使焊接电流达到正常的安全电流电平值;及(d)使所述保持步骤在预定时间前结束以响应电弧状态。
19.根据权利要求18的方法，其中所述基本电流值与所述转移时间期间的所述电流的最大值的比例至少低到为1∶3左右。
20.根据权利要求18的方法，它还包括下列步骤(e)检测转移时间Tp期间的焊接电流的斜率或者焊接电压的斜率;(f)当所述焊接电流达到由所述检测步骤确定的所述最大值或刚好超过该值时，将所述焊接电流转换到所述基本电流;(g)再次将所述焊接电流通常保持在基本电流值上一段预定的时间;及，(h)再次使所述第二保持步骤在所述预定时间前结束以响应电弧状态。
21.根据权利要求20的方法，它还包括下列步骤(i)在所述第一保持步骤后抑制所述斜率检测步骤一段非常短的时间;及(j)然后允许所述焊接电流达到在步骤(c)确定的电流电平值。
22.根据权利要求21的方法，其中所述非常短的时间小于100微秒左右。
23.根据权利要求20、21或22中方法，其中所述预定时间小于2毫秒。
24.根据权利要求23中的的方法，其中所述转移时间大于2毫秒。
25.根据权利要求20的方法，其中所述转移时间大于2毫秒。
26.利用一个电焊电源由短路转移方式从焊条上将金属熔积到工件上的一种减少溅洒的方法，其中焊接电流使焊条在短路状态及电弧状态中变化，在短路状态期间金属转移需要转移时间Tp，在该转移时间中焊接电流上升，然后下降，所述方法包括下列步骤(a)检测代表焊条与工件之间电压的控制电压的检测;(b)在所述控制电压小于代表短路状态的预定电压时产生一个短路信号，及在所述控制电压大于所述预定电压时产生一个电弧信号，(c)检测在从金属焊条与工件接触的短路状态急剧变化到金属转移时间Tp期间的电弧状态前刚好发生的预定电特性参数，及根据检测的所述参数将所述开关装置转换到所述第二状态;(d)根据所述预定电特性的检测将所述焊接电流转换到基本电流的低电平值;(e)将所述焊接电流通常保持在所述基本电流值上一段预定的时间;(f)然后允许使所述焊接电流到达正常安全电流电平值;及，(g)使所述保持步骤在所述预定时间前结束以响应根据一个电弧信号产生的电弧状态。
27.根据权利要求26的方法，其中所述参数是在所述转移时间的选择部分的电压曲线的斜率。
28.利用一个电焊电源由短路转移方式从焊条上将金属熔积到工件上的一种减少溅洒的装置，其中焊接电流使焊条在短路状态及电弧状态中变化，在短路状态期间金属转移需要转移时间Tp，在该转移时间中焊接电流上升并然后下降，所述装置包括(a)检测代表焊条及工件之间电压的控制电压检测装置;(b)当所述控制电压下降到低于显示短路状态的一个给定值时用于将所述焊接电流转换到一个低的基本电流电平值;(c)用于检测在短路状态及电弧状态中间所述焊条上金属颈缩的检测装置;(d)当所述颈缩被检测出来时将所述焊接电流转换到所述低的基本电流电平值的装置;及，(e)将所述焊接电流保持在所述基本电流电平值一直到所述控制电压超过所述给定值或一直到给定时间期满时的装置。
29.利用一个电焊电源由短路转移方式从焊条上将金属熔积到工件上的一种减少溅洒的装置，其中焊接电流使焊条在短路状态及电弧状态中变化，焊接电流达到维持等离子电平值并且在短路状态和接着发生的电弧状态期间的金属转移需要转移时间，在转移时间期间焊接电流上升然后下降，所述装置包括(a)第一转换装置，它用于在短路状态第一次出现时将所述焊接电流从所述等离子电平值转换到低电平的基本电流值;(b)用于将焊接电流保持在所述基本电流值上一段预定的时间的装置;(c)允许在所述短路状态期间使所述焊接电流从所述低的电平值上升以便将金属转移到所述工件上的装置;(d)检测装置、它检测在何时所述的转移金属开始颈缩以准备熔丝破裂;(e)再将所述焊接电流转换到所述低电平的基本电流值的装置;及，(f)第二转换装置，它用于将所述焊接电流转换回到所述等离子电流电平值以等待接着的下一个短路状态。
30.根据权利要求29的装置，它包括用于检测电弧电压的装置，及其中所述第一转换装置是为了响应所述电弧电压小于一个预定值，而第二转换装置是为了响应所述电弧电压大于一个预定值。
31.根据权利要求30的装置，其中所述两个预定电压值实际上是相等的。
32.利用一个焊接电源由短路转移方式从焊条上将金属熔积到工件上的一种减少溅洒的方法，其中焊接电流使焊条在短路状态及电弧状态中变化，焊接电流达到维持等离子电平值，并且在短路状态和接着发生的电弧期间的金属转移需要转移时间，在转移时间期间焊接电流上升然后下降，该方法包括以下的步骤(a)将所述焊接电流从所述等离子电平值转换到一个低电平基本电流值，这时短路状态第一次发生;(b)将所述焊接电流保持在所述基本电流值时一段预定时间;(c)然后，在所述短路状态允许所述焊接电流从低电平值上升，以便使金属转移到所述工件上;(d)检测在何时所述的转移金属开始缩颈以准备熔丝的破裂;(e)将所述焊接电流转换到所述低电平基本电流值;及，(f)将所述焊接电流转换回到所述等离子电平以等候接着的下一次短路状态。
33.根据权利要求32的方法，它包括检测电弧电压;操作所述第一转换步骤以响应所述电弧电压小于一个预定值及操作所述第二转移步骤以响应所述电弧电压大于一个预定值。
34.根据权利要求32的方法，其中所述检测步骤包括以下步骤(g)检测焊接电流的di/dt;及，(h)检测何时di/dt改变符号。
35.根据权利要求32的方法，其中所述检测步骤包括以下步骤(g)检测电弧电压的dV/dt;及，(h)检测何时斜率dV/dt等于一个预定值。
36.根据权利要求32的方法，其中所述酌加步骤包括步骤(g)在所述预定保持时间期满时将供给一个预定的高值主电流作为所述的焊接电流。
全文摘要
控制电弧焊电源减少溅洒的方法及装置，该电源用于通过短路转移方式从焊条或电极上将金属熔积到工件上,其中焊接电流使焊条在短路状态及电弧状态中间变化，在短路状态期间发生金属转移。这种方法及装置包括以下概要将电焊电流转换到基本电流值以响应短路状态，将焊接电流通常保持在基本电流电平值上一段预定时间，然后允许焊接电流达到正常安全电流电平值，并使保持步骤在预定时间以前结束以响应检测的电弧状态。
文档编号B23K9/06GK1033448SQ87103550
公开日1989年6月21日 申请日期1987年4月10日 优先权日1986年12月11日
发明者约翰·莫里斯·帕克斯, 埃利奥特K·斯特夫 申请人:林肯电学公司