CN100546750C - 脉冲电弧焊接方法 - Google Patents

Abstract

在保护气体中只使用惰性气体，通过由峰值电流以及基值电流构成的脉冲波形的焊接电流(Iw)，并且检测熔化电极(1)与母材(2)之间的的焊接电压(Vw)，将该焊接电压检测值(Vd)限制于从脉冲波形的基准电压波形(Vc)开始的规定变动范围内(Vc±ΔVc)，算出焊接电压限制值(Vft)，控制焊接电源的输出以使平均化该焊接电压限制值(Vft)后的焊接电压限制平均值(Vfa)与预先设定的电压设定值(Vs)大致相等的脉冲电弧焊接电源中，即使叠加异常电压也可将与电弧长度成比例的电压值显示于焊接电源的电压计中。

Description

脉冲电弧焊接方法

技术领域

本发明涉及在只使用氩气作为保护气体的脉冲电弧焊接中，用于使与电弧长度大致成比例的电压值显示在电压计中的脉冲电弧焊接电源。

背景技术

电弧焊接，尤其在熔化电极电弧焊接中，作为电极前端与母材之间的距离的电弧长度适当是用于使焊接状态的稳定化、焊缝(bead)形成的健全化等的焊接品质良好的重要条件。电弧长度，通常大致与电极和母材之间的电压(焊接电压Vw)的平均值Vav成比例。因此，在熔化电极电弧焊接电源中进行输出控制，以使该焊接电压平均值Vav与预先设定的电压设定值Vs大致相等，将电弧长度控制为适当值。进一步，为了使熔入量的适当等保持良好焊接品质，可以主要将通电电弧的焊接电流Iw的平均值Iav设定为适当值。如上所述，为了使焊接品质良好，也可主要将与电弧长度等价的焊接电压平均值Vav以及焊接电流平均值Iav设定为适当值。因此，在焊接生产工序中，作为用于管理焊接品质的管理项目的重要的因素是焊接电压平均值Vav以及焊接电流平均值Iav。为了该品质管理，通常在焊接电源的前面板中配设模拟式或者数字式的电压计以及电流计。此外，也存在从焊接电源向其他的(外部机器)输出焊接电压Vw以及焊接电流Iw，输入到配设于控制装置中的电压计以及电流计的情况。在这种情况下所具备的焊接电源中，通常要从接口端子取出焊接电压Vw以及焊接电流Iw的检测信号。(关于上述的现有技术，参照例如专利文献1、2)

图3是将本发明作为对象的熔化电极脉冲电弧焊接中的焊接电流Iw以及焊接电压Vw的波形图。以下，参照该图进行说明。

时刻t1～t2的峰值上升期间Tup中，如图(A)所示，通过从基值电流Ib向峰值电流Ip上升的过渡电流，如图(B)所示，从基值电压Vb向峰值电压Vp上升的过渡电压施加在电极、母材之间。时刻t2～t3的峰值期间Tp中，如图(A)所示，通过用于使熔滴过渡的大电流值的峰值电流Ip，如图(B)所示，峰值电压Vp外加在电极、母材之间。时刻t3～t4的峰值下降期间Tdw中，如图(A)所示，通过从峰值电流Ip向基值电流Ib下降的过渡电流，如图(B)所示，从峰值电压Vp向基值电压Vb下降的过渡电压施加在电极、母材之间。在时刻t4～t5的基值期间Tb中，如图(A)所示，通过用于不使熔滴成长的小电流值的基值电流Ib，如图(B)所示，基值电压Vb施加在电极、母材之间。将上述时刻t1～t5的期间作为脉冲周期Tf重复，进行焊接。

平均化该图(A)所示的脉冲波形的焊接电流Iw后的值是焊接电流平均值Iav，该图(B)所示平均化脉冲波形的焊接电压Vw后的值是焊接电压平均值Vav。在该图中，瞬时的电弧长度在脉冲周期Tf中时刻变化。但是，与上述的焊接品质相关的电弧长度是数周期～数十周期的平均的电弧长度的变化。因此，不是焊接电压Vw的瞬时值而是由平均值检测电弧长度的平均值的变化。因此，在上述以及下述中，在只记作电弧长度时为电弧长度的平均值。在记作瞬时的电弧长度的情况下，记作瞬时的电弧长度。如上所述，对焊接电源的输出进行控制以使该焊接电压平均值Vav与预先设定的电压设定值Vs大致相等。作为该输出控制的方法，以往以来，使用由反馈控制改变上述的脉冲周期Tf、峰值期间Tp、峰值电流Ip等的至少一个以上的方法。此外，如上所述，将焊接电压Vw或者焊接电压平均值Vav输入电压计，且将焊接电流Iw或者焊接电流平均值Iav输入电流计，由这些显示值进行品质管理。在电压计以及电流计不是表示瞬时值的平均值的模拟式而是数字式的情况下，计算焊接电压平均值Vav以及焊接电流平均值Iav，输入到电压计以及电流计中。

在脉冲电弧焊接中，为了顺利地进行熔滴过渡，使用将氩气作为主成分的保护气。例如，在铁钢材料中使用氩80％+二氧化碳20％的混合气体，在不锈钢钢材中使用氩98％+氧2％的混合气体。此外，在铝材、镍铬铁耐热耐蚀合金、不锈钢钢材时，使用氩100％的气体(以下，称作纯氩气)。在将氩气作为主要成分的气体(以下，称作富含氩气的气体)作为保护气体的脉冲焊接中，为了使在保护气体中包括的氧化性成分(上述的二氧化碳气体、氧等)少，在电弧产生部中形成氧化膜的作用弱。即如果由电弧的清洁作用除去母材表面的氧化膜，则由于保护气体的氧化作用弱，因此电弧产生中心部成为氧化膜不存在的状态。另一方面，由于电弧的阴极点具有容易形成于氧化膜的某一部分的性质，因此阴极点变为需要氧化膜并向电弧周边部扩展。

图4是已产生短路时的脉冲电弧焊接中的焊接电压Vw以及焊接电压限制值Vft的波形图。该图是在保护气体中使用富含氩气的气体的情况。在脉冲电弧焊接中多与一脉冲周期同步进行一次的熔滴过渡。该脉冲周期1/Tf为100～300Hz左右。即在1秒间进行100～300次左右的熔滴过渡。通常，该熔滴过渡多不随着短路而进行，但在1秒间产生数十次左右的短时间的短路。图中是在基值期间中的时刻t1～t2中产生短路的情况。

如果在时刻t1产生短路，则电弧减弱且瞬时的电弧长度变为零。此后的时刻t2中电弧再发生于电极正下方的母材部分中。该电弧再发生需要大的能量。为了将该能量供给电弧，重叠大的异常电压。需要大的能量的理由在于：由于在电极正下方的母材表面上如上所述那样不存在氧化膜，因此再形成阴极点需要大的能量。由于在时刻t3阴极点向氧化膜的某电弧周边部移动，因此不需要能量，减灭异常电压，复原为通常电压。上述的异常电压，不只产生在上述的短路之后不久，而且也产生在氧化膜的状态不均匀阴极点晃荡移动的情况等下。即异常电压在使用氧化作用弱的保护气体等的情况下特别明显。因此，在使用不包括氧化成分的纯氩气的情况下，异常电压的值大，产生频度也高。

如上所述，焊接品质中重要的电弧长度，不是脉冲周期中的瞬时的电弧长度，而是数周期～数十周期的平均的电弧长度。上述的异常电压是与电弧长度没有关系的电压，除去该电压的平均电压值是电弧长度成比例关系的电压值。专利文献3的发明是涉及除去该异常电压的方法的文献。以下，对该除去方法进行说明。

在图(B)中，预先设定用点线所示的脉冲波形的基准电压波形Vc以及将该波形作为中心值的变动范围±ΔVc。并且，在焊接电压Vw处于该Vc±ΔVc的范围外时，作为异常电压除去。其结果，焊接电压Vw成为焊接电压限制值Vft，成为与除去异常电压的电弧长度成比例的电压波形。算成该焊接电压限制值Vft的平均值，进行输出控制以使与预先设定的电压设定值大致相等，可将电弧长度控制为适当值。上述的基准电压波形Vc也可通过移动平均达过去数周期～数十周期的焊接电压限制值Vft而自动设定。

图5是脉冲电弧焊接中的焊接电压平均值Vav、焊接电压限制值的平均值Vaf以及电压设定值Vs的时间变化图。如图所示，由于焊接电压平均值Vav为包括异常电压的电压值的平均值，因此变动大。与此对应，由于焊接电压限制平均值Vfa是与除去异常电压的电弧长度成比例的焊接电压限制值Vft的平均值，因此变动小。并且，由于对焊接电压限制平均值Vfa输出进行控制，以使与电压设定值Vs相等，因此Vfa＝Vs。因此，由电压设定值Vs设定电弧长度、由焊接电压限制平均值Vfa进行控制以使成为适当电弧长度。

如上所述，在使用富含氩气的脉冲电弧焊接中，由起因于短路解除时的阴极点的再形成、氧化膜的状态的不均匀的阴极点的不稳定等，异常电压重叠于焊接电压上。进一步，如果保护气体为纯氩气，则该异常电压的值变大，且频繁地产生。如果由包括该异常电压的焊接电压使电压计显示，则成为与电弧长度不成比例的值。如上所述，电压计虽然作为管理电弧长度的指标显示，但是显示与电弧长度不成比例的值因此没有意义。

图6是测定使用纯氩气的不锈钢钢材的脉冲电弧焊接中的电压计的显示值的偏差的图。该图是图示以100A-20V(电压设定值)、150A-22V以及200A-24V的三个条件分别进行5次焊接的电压计的显示值与电压设定值之间的偏差。电压计将通常接通的焊接电源的输出端子间的电压即焊接电压作为输入信号。

如图所示，电压计的显示值，从设定电弧长度的电压设定值还偏移3～10V，且每一次的电压计的显示值的偏差也大。因此，由电压计的显示值不能管理电弧长度。

其中，电流计的显示即焊接电流平均值，即使在产生异常电压的状态也不对该值产生影响。其理由在于由于脉冲电弧焊接电源通常恒流控制，因此即使在产生异常电压的状态下，通电的电流值也与在图3(A)中的上述的电流波形大致相同。因此，对电流计由分流电阻等检测出焊接电流并作为输入信号的通常方法没有任何问题。

专利文献1：特开平5-200547号公报；

专利文献2：特开平10-314940号公报；

专利文献3：特开2003-311409号公报。

发明内容

在此，本发明提供一种在使用纯氩气的脉冲电弧焊接中，由电压计可显示与电弧长度大致成比例的电压值的脉冲电弧焊接电压。

为了解决上述问题，本发明的脉冲电弧焊接方法，在保护气体中只使用惰性气体，通过由峰值电流以及基值电流构成的脉冲波形的焊接电流，并且检测熔化电极与母材之间的脉冲波形的焊接电压，将该焊接电压检测值限制于脉冲波形的基准电压波形的规定变动范围内，算出焊接电压限制值，控制焊接电源的输出以使平均化该焊接电压限制值后的焊接电压限制平均值与预先设定的电压设定值大致相等，其特征在于，代替所述焊接电压检测值，将所述焊接电压限制值或者所述焊接电压限制平均值，作为向配设于焊接电源中的电压计或者接口端子的输入信号。

(发明效果)

根据有关本发明的脉冲电弧焊接方法，通过将焊接电压限制于从基准电压波形开始的给定变动范围内，算出焊接电压限制值，可除去异常电压。通过将该焊接电压限制值或者该平均值作为电压计的输入信号，可显示与电弧长度成比例的电压值。由此，可正确地进行作为重要的焊接品质地电弧长度的管理。

附图说明

图1是有关本发明的实施方式的脉冲电弧焊接电源的框图。

图2是表示用于说明本发明的效果的电压计的显示值与电压设定值之间的偏差的图。

图3是现有技术的脉冲电弧焊接的电流、电压波形图。

图4是现有技术中的重叠异常电压后的焊接电压Vw以及除去异常电压后的焊接电压限制值Vft的波形图。

图5是现有技术中的脉冲电弧焊接中的焊接电压平均值Vav、焊接电压限制平均值Vfa以及电压设定值Vs的时间变化图。

图6是表示用于说明本发明的课题的电压计的显示值与电压设定值之间的偏差的图。

图中：1-焊丝；2-母材；3-电弧；4-焊枪；5-送丝辊；EI-电流误差放大电路；Ei-电流误差放大信号；EV-电压误差放大电路；Ev-电压误差放大信号；FT-限制滤波电路；Iav-焊接电流平均值；Ib-基值电流；IBS-基值电流设定电路；Ibs-基值电流设定信号；ID-电流检测电路；Id-电流检测信号；Ip-峰值电流；IPS-峰值电流设定电路；Ips-峰值电流设定信号；ISC-电流控制设定电路；Isc-电流控制设定信号；Iw-焊接电流；PM-电源主电路；ST-时间经过计测电路；St-时间经过信号；Tb-基值期间；Tdw-峰值下降期间；Tf-脉冲周期(信号)；Tp-峰值期间；Tup-峰值上升期间；V/F-电压、频率变换电路；Vav-焊接电压平均值；Vb-基值电压；VC-基值电压波形存储电路；Vc-基准电压波形/中心电压值信号；VD-电压检测电路；Vd-焊接电压检测信号；VFA-平均值算出电路；Vfa-焊接电压限制平均值(信号)；Vft-焊接电压限制值(信号)；VM-电压计；Vp-峰值电压；VS-电压设定电路；Vs-电压设定(值/信号)；Vw-焊接电压；ΔVC-变动范围设定电路；ΔVc-变动范围(信号)。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图I是有关本发明的实施方式的脉冲电弧焊接电源的框图。以下，参照图对各框进行说明。

电源主电路PM将商用用交流电源(3相200V等)作为输入，根据下述的电流误差放大信号Ei，进行逆变控制、斩波控制等的输出控制，输出适于焊接的焊接电压Vw以及焊接电流Iw。焊丝1由焊丝送给装置的送丝辊(roll)5的旋转通过焊枪4内送给，与母材2之间产生电弧3。

电压检测电路VD检测出上述的焊接电压，输出焊接电压检测信号Vd。基准电压波形存储电路VC如上所述那样存储预先设定的或者由移动平均自动设定的基准电压波形，输出与下述的经过时间信号St对应的中心电压值信号Vc。变动范围设定电路/Vc输出预先设定的变动范围信号ΔVc。限制滤波电路FT将上述的焊接电压检测信号Vd作为输入，限制于从上述的中心电压值的变动范围Vc±ΔVc内，输出焊接电压限制值信号Vft。平均值算出电路VFA将上述的焊接电压限制值Vft作为输入算成平均值，输出焊接电压限制平均值信号Vfa。

电压设定电路Vs输出预先设定的电压设定信号Vs。电压误差放大电路EV放大上述的焊接电压限制平均值信号Vfa与电压设定信号Vs之间的误差，输出电压误差放大信号Ev。电压、频率变换电路V/F变换为与上述的电压误差放大信号Ev的值成比例的频率，输出对其频率(脉冲周期)的每一个变换为成为短时间高电平的脉冲周期信号Tf。时间经过计测电路ST计测从上述的脉冲周期信号Tf变化为高电平的时刻(峰值上升期间的开始时刻)开始的经过时间，输出经过时间信号St。

峰值电流设定电路IPS输出预先设定的峰值电流设定信号Ips。基值电流设定电路IBS输出预先设定的基值电流设定信号Ibs。电流控制设定电路ISC将上述的经过时间信号St作为输入，峰值上升期间Tup中输出从上述的基值电流设定信号Ibs向上述的峰值电流设定信号Ips上升的电流控制设定信号Isc，此后的峰值期间Tp中将上述的峰值电流设定信号Ips作为电流控制设定信号Isc输出，此后的峰值下降期间Tdw中输出从上述的峰值电流设定信号Ips向上述的基值电流设定信号Ibs下降的电流控制设定信号Isc，此后的基值期间Tb中将上述的基值电流设定信号Ibs作为电流控制设定信号Isc输出。电流检测电路ID检测出上述的焊接电流Iw，输出电流检测信号Id。电流误差放大电路EI放大上述的电流控制设定信号Isc与电流检测信号Id之间的误差，输出电流误差放大信号Ei。其结果，通过相当于上述电流控制设定信号Isc的在图3中的上述的焊接电流Iw。

电压计VM将上述的焊接电压限制值信号Vft作为输入信号，显示与除去异常电压的电弧长度成比例的电压值。此外，代替焊接电压限制值信号Vft，将焊接电压限制平均值信号Vfa作为输入信号也相同。进一步，如上所述，也可将焊接电压限制平均值信号Vft或者焊接电压限制平均值信号Vfa作为对接口端子的输入信号。由此，可将与电弧长度成比例的电压值显示在配设于焊接电源或者外部机器中的电压计中。因此，为了得到良好的焊接品质可正确地进行必须地电弧长度的管理。

图2是测定与表示本发明的效果的一例的上述的图6对应的使用纯氩气的不锈钢钢材的脉冲电弧焊接中的电压计的显示值的偏差的图。该图是图示以100A-20V(电压设定值)、150A-22V以及200A-24V的三个条件分别进行5次焊接的电压计的显示值与电压设定值之间的偏差的图。电压计在图1中如上所述那样将焊接电压限制值信号Vft作为输入信号。

如图所示，电压计的显示值与设定电弧长度的电压设定值大致一致，且也几乎没有5次的测定值的偏差。由此，根据本发明，可正确地没有偏差地由电压计显示电弧长度。

虽然上述的说明只是对直流脉冲电弧焊接的情况，但本发明也可适用于交流脉冲电弧焊接的情况。

在上述中，已对不含氧化作用成分的纯氩气的情况进行了说明。但是，作为使用于焊接中的惰性气体，一般除氩气以外还可使用氦气、氩气与氦气的混合气体等。在只使用这些惰性气体的情况下，由于不包括二氧化碳气体、氧等的氧化作为成分，因此上述的实施方式仍适合。即本发明可适用于只将纯氦气、纯氩气、氦气与氩气的混合气体等的惰性气体作为保护气体使用的脉冲焊接中。

Claims (1)

1、一种脉冲电弧焊接方法，在保护气体中只使用惰性气体，通过由峰值电流以及基值电流构成的脉冲波形的焊接电流，并且检测熔化电极与母材之间的脉冲波形的焊接电压，将该焊接电压检测值限制于脉冲波形的基准电压波形的规定变动范围内，算出焊接电压限制值，控制焊接电源的输出以使平均化该焊接电压限制值后的焊接电压限制平均值与预先设定的电压设定值大致相等，其特征在于，

代替所述焊接电压检测值，将所述焊接电压限制值或者所述焊接电压限制平均值，作为向配设于焊接电源中的电压计或者接口端子的输入信号。

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