CN100339173C - 焊接方法以及焊接电源装置 - Google Patents

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Abstract

绝缘栅双极晶体管(IGBT)16间断地中断从直流电源的正端流向工件的电流。IGBT 20间断地中断从直流电源的负端流向工件的电流。控制电路32和驱动信号发生电路34对IGBT 16和20进行开关控制。控制电路使驱动信号发生电路34控制IGBT 16和20,以提供重复的循环,该循环包括一交流段,其间IGBT 16和20交替地导通,和跟随该交流段的一直流段,其间IGBT 16继续导通。在直流段内,控制电路和信号发生电路至少一次同时使IGBT 16和20分别关断和导通,之后,同时使IGBT 16和20分别导通和关断。

Description

焊接方法以及焊接电源装置
技术领域
本发明涉及一种焊接例如铝和镁材料的工件的方法,其中必需去除覆盖工件表面的氧化层,同时涉及一种用于实施该焊接方法的焊接电源装置。
背景技术
日本专利2,543,269和2,543,270都注册于1996年7月25日,公开了可以使用于焊接上述工件的技术。根据这些日本专利,一个电源与一焊极及一工件相连以向其提供电流。一个电流循环包括一提供交流电的交流段,以及一跟随交流段的直流段,且使该循环进行重复。在直流段内,一直流电从工件流向焊极。根据专利2,543,269,交流段在一个循环,即交流段与直流段之和中所占的比例为30%至80%。
根据这些日本专利所公开的技术,工件,例如铝工件其表面所覆盖的氧化层在交流段,特别是在工件处于负电势的交流段部分,可以得到清除。同样,根据这些技术,由于直流段内焊接电流的极性没有反转,且工件处于正电势,就不会产生由于高谐波而致的噪声,从而降低了电弧噪音。
有时候,一个循环内直流段所占的比例会增大到一个值大于一个循环的70%至20%以实现工件的深层焊接。在这种情况下,由于缩短了交流段,工件在其表面的氧化层得到充分清除之前就由直流电弧进行了焊接。这样就会在工件的熔坑内引入焊渣,从而导致了焊接部分的缺陷。
发明内容
本发明的一个目的就在于提供一种焊接方法以实现焊接缺陷较低的焊接,同时提供了一种用于实施该焊接方法的电源装置。
根据本发明的一个方面,这里提供一种焊接方法,其特征在于,包括以下步骤:使焊接电流在一个工件与焊极之间流动,所述的焊接电流具有一种波形,该波形包含一个周期性重复着的循环,该循环包括一个提供交流电的交流段和一个跟随该交流电的提供直流电的直流段;和在所述的直流段插入至少一个与该直流电极性相反的电流脉冲;所述的直流电从所述工件流向所述焊极。
根据本发明的这种焊接方法,焊接电流的交流波形部分清除净化了工件,而其后的直流波形则提供了稳定的电弧。此外,直流部分内临时提供的极性相反的脉冲电流可以防止焊渣吹入工件的熔融态金属中。
该临时提供的至少一个电流脉冲可以是多个电流脉冲。其中所有或部分的电流脉冲规则地或随机地彼此隔开。
根据本发明的另一方面,这里提供一种用于焊接的电源装置,其特征在于,包括:一个直流电源,具有正端和负端,并适于向由一个焊极和一个工件构成的焊接负载提供来自所述正端的正电流和来自负端的负电流;一个第一半导体开关装置,用于间断性地中断从所述正端向所述焊接负载提供的电流;一个第二半导体开关装置,用于间断性地中断从所述负端向所述焊接负载提供的电流;和控制装置,控制所述第一和第二半导体开关装置的开关操作;其中所述的控制装置操作以控制所述第一和第二半导体开关装置来提供重复的循环,该循环包括:一个交流段,在此其间所述第一和第二半导体开关装置交替地导通,和一个跟随该交流段的正向直流段,在此其间所述第一半导体开关装置继续导通;和所述的控制装置操作,以通过同时使所述第一和第二半导体开关装置分别地关断和导通,然后同时使所述第一和第二半导体开关装置分别导通和关断,以在所述的正向直流段内形成至少一个负脉冲段。
该直流电源可以包括:一个交流-直流转换器,用以将来自交流电源的交流电压转换为直流电压;一个高频转换器,用于将直流电压转换为高频电压,一个变压器,用于对高频电压变电压;和一个高频-直流转换器,用地将变压器输出的高频电压转换为一直流电压,并使得正和负电压分别产生在正和负端上。
第一和第二半导体开关装置的每一个可以是一种具有一个控制极且当控制极被提供一控制信号时即导通的装置,例如一个双极型晶体管,一个场效应晶体管(FET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
有了上述的电源装置,就可以实现上述焊接方法所描述的焊接。也可以插入多个负脉冲段,其中所有或部分的负脉冲段可以规则地或随机地隔开。
该电源装置还包括:一个第一电抗器,连接在正端和第一半导体开关装置之间;和一个第二电抗器,连接在负端与第二半导体开关装置之间。第一和第二电抗器由缠绕在同一个铁芯上的线圈构成,使得可以在其中感应出方向相反的电压。
在正向电流段,当电源装置从第一半导体开关装置导通而使正向电流通过第一电抗器流向工件的状态切换到第一半导体开关装置关断而第二半导体开关装置导通而使负电流通过第二电抗器流向工件的状态时,第一电抗器中感应出的电压使得第二电抗器感应出极性相反的电压。由于第一电抗器中感应出的电压其极性使正向电流流向工件,第二电抗器中感应出的电压其极性使得向工件提供负电流。相应地,当电流的极性发生变化,第二电抗器中感应出的电压会在负端提供的通过第二电抗器的负电流上叠加负电流。这样,就会平滑地实现从正电流向负电流的转变。当第二半导体开关装置处于关断而同时第一半导体开关装置为导通状态时,发生相同的操作。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的一种焊接电源装置的电路框图;
图2为图1所示电源装置所提供焊接电流的一种波形;
图3为图1所示电源装置工作流程图;
图4为图1所示电源装置所提供焊接电流的另一种波形;
具体实施方式
图1所示为依据本发明一种实施例的一种焊接电源装置,可以用于钨极惰性气体保护(电弧)焊(TIG),并且包括一个直流电源2。
直流电源2包括一整流电路6,用以整流由例如商业交流电源4输出的交流电压。整流后的整流电路6的输出被提供给直流-高频转换装置,例如逆变器8,经此转换为一高频电压。
高频电压接着提供给变压器10的初级线圈10P。变压器10的次级线圈10S具有一个中间抽头10T。次级线圈中感应出的高频电压在一整流电路12进行整流。整流电路12包括二极管12a,12b,12c和12d。二极管12a的阳极连接到次级线圈10S的一个端点,二极管12b的阳极连接到次级线圈10S的另一个端点。二极管12a和12b的阴极连接到一起构成了整流电路12的正输出端。该正输出端提供了直流电源2的正输出端12P。二极管12c的阴极连接到次级线圈10S的一个端点,二极管12d的阴极连接到次级线圈10S的另一个端点。二极管12c和12d的阳极连接到一起构成了整流电路12的负输出端,从而形成直流电源2的负输出端12N。
当次级线圈10S的两个相对端点产生了相对于中间抽头10T为正的电压,一正向电流将会由二极管12a和12b通过正端12P以及一将在后文进行详尽描述的电路流向中间抽头10T。当次级线圈10S的两个对应端点产生了相对于中间抽头10T为负的电压,一负电流将会由二极管12c和12d通过负端12N以及一将在后文进行详尽描述的电路流向中间抽头10T。
正输出端12P通过一第一电抗器,例如平滑电抗器14,连接到一半导体开关装置,例如IGBT16的集电极。同样地,负输出端12N通过一第二电抗器,例如平滑电抗器18,连接到一半导体开关装置,例如IGBT20的发射极。IGBT16的发射极和IGBT20的集电极通过一适于与工件24连接的工件端点22共同连接到工件24。工件24由例如铝制成且其上有一氧化层。
平滑电抗器14及18缠绕在同一个铁芯上,使得当一个电抗器中感应了一种极性的电压时,另一个电抗器中会感应出出极性相反的电压,反之亦然。
一个焊极,例如焊枪26,连接到一焊极终端28。在焊枪26和工件24之间产生一个电弧。焊极终端28通过一电流探测器(CD)30与次级线圈10S上的中间抽头10T相连。
电流探测器30检测流过焊枪26和工件24的焊接电流并产生代表所检测焊接电流的焊接电流代表信号。该焊接电流代表信号被提供给一控制电路32,其可以为,例如,一个微机。控制电路32向一驱动信号发生电路34提供这样一个控制命令使得焊接电流代表信号具有预定值。响应于该控制命令,驱动信号产生电路34向逆变器8提供一个驱动信号。这样,逆变器8受恒流控制。
进一步,控制电路32向驱动信号发生电路34提供这样一个控制命令使得驱动信号发生电路34产生一个驱动信号来控制IGBT16和IGBT20的导通。
特别地,如图2所示,控制电路32运行使一个交流段持续一预定时间。在交流段内,工件终端22交替呈现正和负电势。在交流段内,每一个正向和负电流脉冲以例如10毫秒的时间长度交替流过。紧随着交流段为一正向直流段。在该直流段内,所提供的直流电流时间长度从0.1秒到1秒,例如,1秒。该直流电从工件24流向焊枪26。一个这样的交流段和一个这样的直流段构成了一个循环,该循环不断地重复。
当直流段开始并经过了一个给定的时间段,例如,大约半个直流段,或为所举的例子中的0.5秒,至少一个负脉冲插入到直流段内。在负脉冲插入时,工件终端22被置于负电势且焊接电极终端28为正电势。一个负脉冲的持续时间为从300微秒(μs)到500微秒,例如,400微秒。
控制电路32以图3所示的方式完成上述的控制。首先,开始交流供电阶段(步骤S2)。更具体地说,控制电路32向驱动信号发生器34提供一个命令,轮流使IGBT16和IGBT20处于导通状态10毫秒。接着,控制电路32判断预定的交流供电段是否已结束(步骤S4)。如果交流供电段尚未结束,步骤2和步骤4将会循环重复直到交流供电段结束。在交流供电段内,一极性交替为正和负的交流脉冲电流在工件24和焊枪26间流动,使得工件24的表面氧化层得到清除。
在步骤S4,如果控制电路32判断交流供电段已经结束,就会开始直流供电段(步骤S6)。更具体地说,控制电路32向驱动信号发生电路34提供一个控制命令,使得IGBT16处于导通状态而IGBT20则处于关断状态,借此使施加在工件24和焊枪26上的电压的其极性为工件24为正而焊枪26为负。因此集中了电弧从而在工件24的表面生成焊面窄,深度深的焊道。
在直流供电开始之后,控制电路32进行判断是否直流供电段的第一部分已经结束(步骤S8)。换句话说,控制电路32判断直流供电段开始后,第一直流供电段,例如1秒的预定直流供电段的一半,也即0.5,是否已经结束。如果控制电路32的判断结果为否,也即第一个直流供电段部分尚未结束,控制电路32将会重复步骤S6和步骤S8直到第一个直流供电段部分完全通过。
如果控制电路32的判断结果是该第一直流供电段部分已经结束,接着就会开始一个负脉冲提供操作(步骤S10)。更具体地说,控制电路32向驱动信号发生电路34提供一个控制信号,使得IGBT16和IGBT20分别为关断和导通状态,持续时间为400微秒。这使得工件终端22处于负电势而焊极终端28相对于工件终端22为正电势。
接着,恢复直流供电段。也就是开始剩下的,第二部分直流供电段(步骤S12)。更具体地说,如同步骤S6,控制电路32向驱动信号发生电路34提供一个命令使得IGBT16和IGBT20分别处于导通和关断状态。
接着,控制电路32判断第二个直流供电段部分是否结束(步骤S14)。如果第二个直流供电段部分尚未结束,控制电路32就会循环重复步骤S12和S14的执行直到第二个直流供电段部分完全通过。当控制电路32判断第二个直流供电段部分已经结束,控制电路32就会通过执行步骤S2开始交流供电段来重复执行以上这些步骤。
如果希望在负脉冲供电操作中连续插入多个负脉冲,可以用类似于步骤S2和S4的步骤来代替步骤S12。然而在这种情况下,交流供电段要比步骤S4中相应的交流供电段短。
由于直流供电段内电流暂时从焊枪26流向工件24,可以防止在交流供电段内未能清除的氧化层部分,如果有的话,吹入工件24的熔融金属里。
上述电源装置中的平滑电抗器14和18缠绕在一个铁芯上,这样当平滑电抗器14感应出电压的时候,平滑电抗器18会产生出极性相反的电压,反之亦然。
相应地,如果在交流供电段内,施加这样的一个驱动信号同时将IGBT16和IGBT20分别置于关断和导通状态,由于IGBT16为关断状态,故而电抗器14中感应出一个电压导致一电流流向IGBT16,并且,同时在平滑电抗器18中会感应出一个极性相反的电压,例如一电压产生从IGBT20的发射极流向负输出端12N的电流。这样,当IGBT20为导通时,电抗器18中感应的电压会叠加在负输出端12N和中间抽头10T间产生的直流电压上,该合电压施加在IGBT20的集电极和发射极间,使IGBT20迅速导通。
同样地,当一个驱动信号同时使IGBT20关断而IGBT16为导通时,电抗器14中感应出的电压会叠加在正输出端12P和中间抽头10T间产生的直流电压上。该合电压施加在IGBT16的集电极和发射极间,使IGBT16迅速导通。换句话说,利用了电抗器14和电抗器18中感应的电压,在交流供电段内焊接电流其极性可以平滑地转换,这样就可以避免电弧的间断。
本发明被描述为在直流供电段内只插入一个负脉冲,如图2所示,或者在直流供电段中插入连续的负脉冲。插入随机或规则地隔开的多个负脉冲,如图4所示,不但可以防止焊渣吹入熔融态金属中,还可以防止氧化层熔解到熔融态金属中,因为在直流供电段内在随机选择的位置加入负脉冲。如图4所示的例子,在直流供电段内插入了三个负脉冲。其中两个负脉冲以等于脉冲宽度的间隔加入,而剩余的一个脉冲与第二个脉冲之间以不同的量隔开。然而,应该注意的是可以插入多于三个的脉冲。同样,所有或部分的这些脉冲可以随机分布。在另一个例子中,所有的脉冲按照规则的间隔排列,但是,该间隔不等于脉冲宽度。
虽然直流电源2被描述为由整流电路6,逆变器8和整流电路12组成,也可以代替地采用其它的组成方式。

Claims (7)

1、一种焊接方法,其特征在于,包括以下步骤:
使焊接电流在一个工件与焊极之间流动,所述的焊接电流具有一种波形,该波形包含一个周期性重复着的循环,该循环包括一个提供交流电的交流段和一个跟随该交流电的提供直流电的直流段;和
在所述的直流段插入至少一个与该直流电极性相反的电流脉冲;
所述的直流电从所述工件流向所述焊极。
2、根据权利要求1所述的焊接方法,其特征在于,所述的至少一个电流脉冲包括多个规则地隔开的脉冲。
3、根据权利要求1所述的焊接方法,其特征在于,所述的至少一个电流脉冲包括多个脉冲,其中所述脉冲的至少一个以不同的数量与其它脉冲隔开。
4、一种用于焊接的电源装置,其特征在于,包括:
一个直流电源,具有正端和负端,并适于向由一个焊极和一个工件构成的焊接负载提供来自所述正端的正电流和来自负端的负电流;
一个第一半导体开关装置,用于间断性地中断从所述正端向所述焊接负载提供的电流;
一个第二半导体开关装置,用于间断性地中断从所述负端向所述焊接负载提供的电流;和
控制装置,控制所述第一和第二半导体开关装置的开关操作;
其中所述的控制装置操作,以控制所述第一和第二半导体开关装置来提供重复的循环,该循环包括:一个交流段,其间所述第一和第二半导体开关装置交替地导通,和一个跟随该交流段的正向直流段,其间所述第一半导体开关装置继续导通;和
所述的控制装置操作,以通过同时使所述第一和第二半导体开关装置分别地关断和导通,然后同时使所述第一和第二半导体开关装置分别导通和关断,以在所述的正向直流段内形成至少一个负脉冲段。
5、根据权利要求4所述的电源装置,其特征在于,所述的至少一个负脉冲段包括多个这样的负脉冲段,它们在所述的正向直流段内形成并且按照规则的间隔布置。
6、根据权利要求4所述的电源装置,其特征在于,所述的至少一个负脉冲段包括多个这样的负脉冲段,它们在所述的正向直流段内形成并且按照不同的数量与其他负脉冲段隔开。
7、根据权利要求4所述的电源装置,其特征在于,还包括:
一个第一电抗器,连接在所述正端与所述第一半导体开关装置之间;和
一个第二电抗器,连接在所述负端与所述第二半导体开关装置之间;
所述的第一第二电抗器缠绕在同一个铁芯上,从而可以在其中感应出相反极性的电压。
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