CN102756197A - 短路期间的焊接电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种短路期间的焊接电流控制方法，在熔化电极电弧焊接中，即使在焊炬的超前角较大时，也能获得良好的焊接品质。若产生短路，则将焊接电流(Iw)减少到初始电流值(Ii)为止来进行维持，如经过了初始期间(Ti)，则使焊接电流以第1倾斜度(K1)上升，如焊接电流达到基准值(Ic)，则使焊接电流以比第1倾斜度的值小的第2倾斜度(K2)上升直到再次产生电弧为止。检测短路产生时间点的焊接电流值(Ia)，算出初始期间(Ti)中的电流差积分值Si＝∫(Ia-Iw)·dt，基于该电流差积分值自动设定上述的基准值。据此，因为能够根据与熔滴大小存在相关关系的电流差积分值恰当地设定基准值，所以即使在超前角较大时也能获得良好的焊接品质。

Description

短路期间的焊接电流控制方法

技术领域

本发明涉及在交替重复短路期间和电弧期间的熔化电极电弧焊接中，用于确保良好的熔滴过渡状态的短路期间的焊接电流控制方法。

背景技术

以恒定速度进给焊丝并且使用二氧化碳气体、氩气、二氧化碳气体和氩气的混合气体等为保护气体进行焊接的熔化电极电弧焊接，由于能够获得高品质且易于自动化，故此熔化电极电弧焊接被广泛使用。在这种电弧焊接中，大多情况是在焊丝和母材之间交替重复短路期间和电弧期间来进行焊接的。在电弧期间中焊丝的前端熔融形成熔滴，在短路期间中熔滴过渡到熔池。为了形成良好的焊缝且减少溅射的产生量，将短路期间中的焊接电流控制为恰当值以顺利地进行熔滴过渡很重要。以下，对现有技术中的短路期间的焊接电流控制方法进行说明(例如，参照专利文献1)。

图3是现有技术中的熔化电极电弧焊接的电压·电流波形图。图3(A)表示施加在焊丝和母材之间的焊接电压Vw的时间变化，图3(B)表示从焊丝到母材通电的焊接电流Iw的时间变化。以下，参照图3进行说明。

在图3中，时刻t1～t2为短路期间Ts，时刻t2～t3为电弧期间Ta。短路期间Ts和电弧期间Ta交替重复。在时刻t1，若焊丝前端形成的熔滴与熔池接触，则变为短路状态。若变为短路状态，则如图3(A)所示，焊接电压Vw急速下降为数V左右的短路电压值。焊接电流Iw，如图3(B)所示，其以具有倾斜度的方式减少到预先规定的初始电流值Ii，并在时刻t1～t11的预先规定的初始期间Ti中维持该值。在时刻t11，若初始期间Ti结束，则如图3(B)所示，焊接电流Iw急速上升到预先规定的峰值，并维持该值直到再次产生电弧的时刻t2为止。

在时刻t2，若再次产生电弧，则如图3(A)所示，焊接电压Vw急速上升为数十V左右的电弧电压值。焊接电流Iw，如图3(B)所示，在再次产生电弧的时间点先稍微急速减小然后慢慢地减小直到产生下次短路为止。

接下来，对熔滴的过渡状态进行说明。从产生短路的时间点起，在初始期间Ti之间将焊接电流Iw维持在小值的初始电流值Ii的理由是为了更可靠地确保熔滴与熔池接触的接触状态。刚产生短路之后，熔滴底部的一部分处于与熔池接触的状态，在该状态下若焊接电流Iw的值大则不发生熔滴过渡，接触状态被解除，故再次产生电弧，从而阻碍了稳定的熔滴过渡状态。从初始期间Ti结束的时刻t11起，通过增大焊接电流Iw使收缩(pinch)力作用于熔滴，由此在熔滴上部产生缩颈而使熔滴顺利地过渡到熔池。在时刻t2，在再次产生电弧的时间点，焊丝的前端未熔融。随着电弧期间Ta的进行，焊丝的前端因来自电弧的热量及焦耳热而渐渐地熔融形成熔滴。

为了让熔滴过渡状态稳定化，恰当地设定短路期间Ts中的焊接电流Iw的峰值是很重要。如果该峰值比恰当值小，则因作用于熔滴的收缩力变弱而使熔滴过渡的时间变长，焊接状态变得不稳定。相反地，如果峰值比恰当值大，则溅射的产生量变多。因此，峰值是根据保护气体的种类、焊丝的材质、直径、进给速度等而设定为恰当值的。

专利文献1：日本特公平4-407号公报

如上所述，为了让熔滴过渡状态稳定化，需要根据焊接条件将短路期间中的焊接电流的峰值设定为恰当值。在焊炬的超前角为0～10°左右较小的时候，根据焊接条件恰当设定该峰值，能够减少溅射产生量、且能够形成良好的焊缝。但是，如果在峰值保持在超前角较小时候的情况下，将超前角变大为20°、30°时，溅射产生量增加。如果为了减少溅射产生量而减小峰值，则常常会产生超过10ms的长时间的短路，由此焊接状态变得不稳定。即，如果超前角变大为20°以上，则在现有技术中无论将峰值设定为什么值，都会有减少溅射产生量和稳定地确保焊接状态这两者不能并存的问题。因此，在现有技术中，要选择牺牲溅射产生量而优先焊接状态的稳定性，或是优先减少溅射产生量而牺牲焊接状态的稳定性，来设定峰值。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种即使在焊炬的超前角较大的时候，也能够减少溅射产生量、且能够良好地确保焊接状态的稳定性的短路期间的焊接电流控制方法。

为了解决上述课题，技术方案1的发明是一种短路期间的焊接电流控制方法，在进给焊丝并且交替重复短路期间和电弧期间的电弧焊接中，若产生短路，则将焊接电流Iw减少到预先规定的初始电流值Ii为止来进行维持，若从所述短路产生的时间点起经过了预先规定的初始期间Ti，则使所述焊接电流以预先规定的第1倾斜度上升，若所述焊接电流达到基准值Ic，则使所述焊接电流以比所述第1倾斜度的值小的预先规定的第2倾斜度上升到再次产生电弧为止来进行焊接，所述短路期间的焊接电流控制方法的特征在于，检测所述短路产生的时间点的焊接电流值Ia，算出所述初始期间Ti中的电流差积分值Si＝∫(Ia-Iw)·dt，基于该电流差积分值Si自动设定所述基准值Ic。

技术方案2的发明是，根据技术方案1所述的短路期间的焊接电流控制方法，其特征在于，将所述基准值Ic限制在规定范围。

技术方案3的发明是，根据技术方案1或者2所述的短路期间的焊接电流控制方法，其特征在于，所述基准值Ic自动设定为Ic＝G·Si(其中，G是预先规定的常数)。

技术方案4的发明是，根据技术方案1～3任意一项所述的短路期间的焊接电流控制方法，其特征在于，设所述初始期间Ti中的焊接电流Iw为Iw＝Ii，设电流差积分值Si＝∫(Ia-Ii)·dt＝(Ia-Ii)·Ti。

技术方案5的发明是，根据技术方案4所述的短路期间的焊接电流控制方法，其特征在于，设所述初始电流值Ii和所述初始期间Ti的乘法值Ii·Ti为Ii·Ti＝0，设所述电流差积分值Si＝(Ia-Ii)·Ti＝Ia·Ti。

根据本发明，若变为短路状态，则在初始期间中将焊接电流减少为小值的初始电流值之后进行维持，之后以第1倾斜度使焊接电流上升，若焊接电流达到基准值，则以比第1倾斜度更平缓的第2倾斜度使焊接电流上升直到再次产生电弧为止。然后，基于初始期间中的电流差积分值自动设定上述基准值。据此，因为在焊接状态处于稳定状态时基准值自动地被设定为小值，所以能减少溅射产生量。因为如果因干扰导致熔滴形成状态发生变动，则基准值自动地被设定为大值，所以能够抑制焊接状态变得不稳定的情况。因此，即使在焊炬的超前角较大时，也能够减少溅射产生量且进行焊接状态的稳定性也良好的焊接。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式所涉及的短路期间的焊接电流控制方法的电压·电流波形图。

图2是用于实施本发明的实施方式所涉及的短路期间的焊接电流控制方法的焊接电源的框图。

图3是现有技术中的熔化电极电弧焊接的电压·电流波形图。

符号说明：

1   焊丝

2   母材

3   电弧

4   焊炬

5   进给辊

Ea  误差放大信号

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

G   常数

GR  常数设定电路

Gr  常数设定信号

Ia  短路产生时电流值

IAD 短路产生时电流值检测电路

Iad 短路产生时电流值检测信号

Ic  基准值

ICR 基准值设定电路

Icr   基准值设定信号

ID    电流检测电路

Id    电流检测信号

Ii    初始电流值

IIR   初始电流设定电路

Iir   初始电流设定信号

IR    电流设定电路

Ir    电流设定信号

Iw    焊接电流

K1    第1倾斜度

K2    第2倾斜度

KR1   第1倾斜度设定电路

Kr1   第1倾斜度设定信号

KR2   第2倾斜度设定电路

Kr2   第2倾斜度设定信号

PM    电源主电路

SD    短路判别电路

Sd    短路判别信号

SI    电流差积分电路

Si    电流差积分(值/信号)

SW    控制切换电路

Ta    电弧期间

Ti    初始期间

TIR   初始期间设定电路

Tir   初始期间设定信号

Ts    短路期间

VD    电压检测电路

Vd    电压检测信号

VR    电压设定电路

Vr    电压设定信号

Vw    焊接电压

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1是表示本发明的实施方式所涉及的短路期间的焊接电流控制方法的电压·电流波形图。图1(A)表示焊接电压Vw的时间变化，图1(B)表示焊接电流Iw的时间变化。图1和上述图3相对应。因此，省略和图3相同的事项的说明。以下，参照图1进行说明。

在图1中，时刻t1～t2表示短路期间Ts，时刻t2～t3表示电弧期间Ta。短路期间Ts和电弧期间Ta交替重复。

在时刻t1，若焊丝前端形成的熔滴与熔池接触，则变为短路状态。若变为短路状态，则如图1(A)所示，焊接电压Vw急速下降为数V左右的短路电压值。焊接电流Iw，如图1(B)所示，其以具有倾斜度的方式从短路产生时电流值Ia减少到预先规定的初始电流值Ii，在时刻t1～t11的预先规定的初始期间Ti中维持该值。该焊接电流Iw减少时的倾斜度，由通上焊接电流Iw的通电电路的电阻值及电感值决定。即，倾斜度是根据连接焊接电源和焊炬及母材的电缆的长度而变化的。电缆越长，倾斜度越平缓。另外，上述的短路产生时电流值Ia大致与短路产生前的电弧期间Ta的长度成比例。这是因为，电弧期间Ta中的焊接电流Iw是伴随着电弧期间Ta的进行而渐渐地变小。因为在电弧期间Ta中形成的熔滴的大小大致与电弧期间Ta的长度成比例，所以可以说熔滴的大小大致与短路产生时电流值Ia成反比例。

在时刻t11，若初始期间Ti结束，则如图1(B)所示，焊接电流Iw以预先规定的第1倾斜度K1上升到预先规定的基准值Ic。若焊接电流Iw达到了上述的基准值Ic，则焊接电流Iw以预先规定为比上述第1倾斜度K1更平缓的值的第2倾斜度K2继续上升直到再次产生电弧的时刻t2为止。关于上述的基准值Ic的自动设定方法以后叙述。

在时刻t2，若再次产生电弧，则如图1(A)所示，焊接电压Vw急速上升为数十V左右的电弧电压值。焊接电流Iw，如图1(B)所示，在再次产生电弧的时间点先稍微急速减小然后慢慢地减小直到产生下次短路为止。

在图1中，设置初始期间Ti并将焊接电流Iw维持在小值的理由是为了如上述那样防止刚产生短路后再次产生电弧而导入可靠的短路状态。初始期间Ti结束后，焊接电流Iw以陡峭的第1倾斜度K1急速上升到基准值Ic。该基准值Ic相当于现有技术的峰值。该基准值Ic被设定为比现有技术的峰值小的值。之后，焊接电流Iw以平缓的第2倾斜度K2上升。因为设置了采用该第2倾斜度K2的上升期间，所以基准值Ic能够设定为小值。

上述的基准值Ic可以如下面那样自动设定。将初始期间Ti中的电流差积分值Si(A·ms)定义如下。

Si＝∫(Ia-Iw)·dt  ...(1)式

其中，积分在初始期间Ti(ms)中进行。Ia是短路产生时电流值。

然后，如下面那样自动设定基准值Ic。

Ic＝G·Si  ...(2)式

在这里，G是预先规定的常数。

基于电流差积分值Si自动设定基准值Ic的理由如下。如上所述，基准值Ic相当于现有技术的峰值，为了减少超前角较大时的溅射产生量，基准值Ic被设定为比峰值小的值。因此，产生焊接状态不稳定的情况。作为焊接状态不稳定的情况，是在产生短路的时间点的熔滴的形成状态不充分的时候，此时为了稳定地解除短路状态，需要将基准值Ic变大。如上所述，短路产生时电流值Ia和熔滴的大小成反比例。若短路产生时电流值Ia大，则上述的电流差积分值Si也变大，基准值Ic也变大。由此，根据产生短路时的熔滴的大小恰当地设定了基准值Ic。

进而，因初始期间Ti中焊接电流Iw被维持在小值，故降低了熔滴的温度。因此，和原样维持短路产生时电流值Ia的时候相比，因减小电流值而失去的热量大致与上述的电流差积分值Si成比例。因此，若初始期间Ti中失去的假想热量变大，则电流差积分值Si也变大，其结果基准值Ic也变大。由此，根据初始期间Ti中失去的假想热量恰当地设定了基准值Ic。

产生短路时间点的熔滴大小的变动，因焊炬高度、进给速度等的变动(干扰的变动)而常常发生。因为在产生了这样的变动的时候，焊接状态变得不稳定，所以为了抑制这种情况，根据电流差积分值Si恰当地设定了基准值Ic。在不产生变动的稳定状态下，在产生短路的时间点的熔滴大小为大致固定的大小。由此，按照产生短路的时间点的熔滴大小为通常尺寸时的基准值Ic比现有技术的峰值小的方式，决定上述(2)式中的常数G。

如图1(B)的时刻t1所示，若变为短路状态，则焊接电流Iw以具有倾斜度的方式减少到初始电流值Ii。如上所述，该焊接电流Iw减少的倾斜度是由通电电路的电阻值及电感值决定的。因此，随着连接焊接电源、焊炬及母材的电缆变长，电流减少倾斜度变平缓。在该电缆长的合计值为10m以下的短长度的情况下，电流减少倾斜度变陡。在这种情况下，可认为初始期间Ti中的焊接电流Iw＝Ii。此时，上述(1)式变为下式。

Si＝∫(Ia-Iw)·dt＝(Ia-Ii)·Ti  ...(11)式

进而，在初始电流值Ii的设定值为30A以下的小值的情况下，可认为Ii＝0，上式变为下式。

Si＝Ia·Ti  ...(12)式

因此，可通过(1)式、(11)式或者(12)式算出电流差积分值Si。

在上述(2)式中，因为将算出的基准值Ic限制在规定范围内，所以可以设置基准值Ic的上限值和下限值。另外，也可以用下式代替(2)式。

Ic＝a·Si+b  ...(21)式

Ic＝c·Si·Si+d·Si+e  ...(22)式

其中，a～e是常数。

对上述的各设定值的数值可举例如下。设下述情况：在使用80％氩气和20％二氧化碳气体的混合气体为保护气体的MAG焊接(metal activegas welding)中，焊丝使用直径1.2mm的钢铁焊丝，进给速度为3.5m/min(平均焊接电流150A)。各值为：初始期间Ti＝1ms，初始电流Ii＝50A，第1倾斜度K1＝200A/ms，第2倾斜度K2＝50A/ms，常数G＝3。在这里，认为是根据上述(11)式算出电流差积分值Si的情况。在焊炬高度、进给速度等没有变动的情况下，因为熔滴的大小大致一定，所以短路产生时电流值Ia＝100A左右。于是，根据(11)式电流差积分值Si＝(100-50)·1＝50。将其代入(2)式，则有基准值Ic＝3·50＝150A。因为现有技术的峰值是400A左右，所以可知该基准值Ic较小。下面，在焊炬高度、进给速度等产生变动，熔滴的大小变小，短路产生时电流值变大为Ia＝150A的情况下，电流差积分值Si＝(150-50)·1＝100。其结果，基准值Ic＝3·100＝300A，通过变大短路期间中的焊接电流Iw，来抑制短路期间变长，由此维持焊接状态的稳定性。另外，在焊炬高度、进给速度等产生变动，熔滴的大小变大，短路产生时电流值变小为Ia＝70A的情况下，电流差积分值Si＝(70-50)·1＝20。其结果，基准值Ic＝3·20＝60A，减小短路期间中的焊接电流Iw。据此，抑制了在熔滴大的情况下增加的溅射的产生。在这里，可将上限值设定为400A，下限值设定为100A，基准值Ic的变化范围限制在100～400A。

上述各设定的初始期间Ti、初始电流值Ii、第1倾斜度K1、第2倾斜度K2、常数G、基准值Ic的上限值和下限值，是根据保护气体的种类、焊丝的材质、直径、进给速度等，通过实验设定为恰当值。

图2是用于实施上述本发明的实施方式所涉及的短路期间的焊接电流控制方法的焊接电源的框图。以下，参照附图，对各模块进行说明。

电源主电路PM以3相200V等商用电源(省略图示)作为输入，按照后述的误差放大信号Ea进行逆变器控制等的输出控制，输出焊接电压Vw和焊接电流Iw。该电源主电路PM，虽省略了图示，但其是由对商用电源进行整流的1次整流器、对整流后的直流进行平滑的平滑电容器、将平滑后的直流转换为高频交流的逆变器电路、将高频交流降到适合焊接的电压值的高频变压器、将降压后的高频交流整流为直流的2次整流器、对整流后的直流进行平滑的电抗器、将误差放大信号Ea作为输入进行脉冲宽度调制控制的调制电路、将脉冲宽度调制控制信号作为输入来驱动逆变器电路的开关元件的驱动电路而构成的。

焊丝1通过与进给电机(省略图示)缔结的进给辊5的旋转，在焊炬4内进给，在与母材2之间产生电弧3。在焊丝1和母材2之间施加焊接电压Vw，在电弧3中通电焊接电流Iw。在图2中，有关控制焊丝进给的电路，省略图示。

电流检测电路ID检测上述的焊接电流Iw，输出电流检测信号Id。电压检测电路VD检测上述的焊接电压Vw，输出电压检测信号Vd。电压设定电路VR输出预先规定的电压设定信号Vr。

短路判别电路SD将上述的电压检测信号Vd作为输入，在该值小于预先规定的阈值时，输出变为高(High)电平的短路判别信号Sd。阈值被设定为10V左右。初始期间设定电路TIR输出预先规定的初始期间设定信号Tir。初始电流设定电路IIR输出预先规定的初始电流设定信号Iir。第1倾斜度设定电路KR1输出预先规定的第1倾斜度设定信号Kr1。第2倾斜度设定电路KR2输出预先规定的第2倾斜度设定信号Kr2。常数设定电路GR输出预先规定的常数设定信号Gr。

短路产生时电流值检测电路IAD，将上述的电流检测信号Id及上述的短路判别信号Sd作为输入，将在短路判别信号Sd变化为高电平(短路)时间点的电流检测信号Id的值作为短路产生时电流值检测信号Iad输出。电流差积分电路SI将该短路产生时电流值检测信号Iad、上述的电流检测信号Id、上述的短路判别信号Sd及上述的初始期间设定信号Tir作为输入，基于上述(1)式，从短路判别信号Sd变化为高电平(短路)的时间点起，在由初始期间设定信号Tir规定的期间中，进行Si＝∫(Iad-Id)·dt的积分，并作为电流差积分信号Si输出。如上所述，也可以使用(11)式或者(12)式代替(1)式，算出电流差积分信号Si。基准值设定电路ICR将该电流差积分信号Si和上述的常数设定信号Gr作为输入，基于上述(2)式算出基准值设定信号Icr＝Gr·Si并输出。在这里，也可以使用上述(21)式或者(22)式代替(2)式。

电流设定电路IR将上述的初始期间设定信号Tir、上述的初始电流设定信号Iir、上述的第1倾斜度设定信号Kr1、上述的第2倾斜度设定信号Kr2、上述的基准值设定信号Icr及上述的短路判别信号Sd作为输入，进行下述处理，输出电流设定信号Ir。

1)从短路判别信号Sd变化为高电平(短路)的时间点起，在由初始期间设定信号Tir规定的期间中，将初始电流设定信号Iir作为电流设定信号Ir输出。

2)之后，使电流设定信号Ir的值从初始电流设定信号Iir的值起以由第1倾斜度设定信号Kr1规定的倾斜度进行上升。

3)若电流设定信号Ir的值与基准值设定信号Icr相等，则使电流设定信号Ir的值以由第2倾斜度设定信号Kr2规定的倾斜度进行上升。该上升一直持续到短路判别信号Sd变化为低(Low)电平(电弧)为止。

4)若短路判别信号Sd变化为低电平(电弧)，则保持该时间点的电流设定信号Ir的值。

电流误差放大电路EI将上述的电流设定信号Ir(+)和上述的电流检测信号Id(-)之间的误差放大，输出电流误差放大信号Ei。电压误差放大电路EV将上述的电压设定信号Vr(+)和电压检测信号Vd(-)之间的误差放大，输出电压误差放大信号Ev。控制切换电路SW将上述的电流误差放大信号Ei、上述的电压误差放大信号Ev及上述的短路判别信号Sd作为输入，在短路判别信号Sd为高电平(短路)时将电流误差放大信号Ei作为误差放大信号Ea输出，在短路判别信号Sd为低电平(电弧)时将电压误差放大信号Ev作为误差放大信号Ea输出。根据该电路，在短路期间中进行恒定电流控制，在电弧期间中进行恒定电压控制。

根据上述的实施方式，如果变为短路状态，则在初始期间中将焊接电流减少到小值的初始电流值之后进行维持，之后以第1倾斜度使焊接电流上升，在焊接电流达到基准值时以比第1倾斜度更平缓的第2倾斜度使焊接电流上升到再次产生电弧为止。然后，基于初始期间中的电流差积分值自动设定上述的基准值。据此，在焊接状态处于稳定状态时，因为基准值自动地被设定为小值，所以溅射产生量变少。因为如果因干扰导致熔滴形成状态发生变动，则基准值自动地被设定为大值，所以能够抑制焊接状态为不稳定的情况。因此，即使在焊炬的超前角较大时，也能够进行溅射产生量少且焊接状态的稳定性也良好的焊接。

Claims (5)

1.一种短路期间的焊接电流控制方法，在进给焊丝并且交替重复短路期间和电弧期间的电弧焊接中，若产生短路，则将焊接电流Iw减少到预先规定的初始电流值Ii为止来进行维持，若从所述短路产生的时间点起经过了预先规定的初始期间Ti，则使所述焊接电流以预先规定的第1倾斜度上升，若所述焊接电流达到基准值Ic，则使所述焊接电流以比所述第1倾斜度的值小的预先规定的第2倾斜度上升到再次产生电弧为止来进行焊接，所述短路期间的焊接电流控制方法的特征在于，

检测所述短路产生的时间点的焊接电流值Ia，算出所述初始期间Ti中的电流差积分值Si＝∫(Ia-Iw)·dt，基于该电流差积分值Si自动设定所述基准值Ic。

2.根据权利要求1所述的短路期间的焊接电流控制方法，其特征在于，

将所述基准值Ic限制在规定范围。

3.根据权利要求1或者2所述的短路期间的焊接电流控制方法，其特征在于，

将所述基准值Ic自动设定为Ic＝G·Si，其中G是预先规定的常数。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的短路期间的焊接电流控制方法，其特征在于，

设所述初始期间Ti中的焊接电流Iw为Iw＝Ii，设电流差积分值Si为Si＝∫(Ia-Ii)·dt＝(Ia-Ii)·Ti。

5.根据权利要求4所述的短路期间的焊接电流控制方法，其特征在于，

设所述初始电流值Ii和所述初始期间Ti的乘法值Ii·Ti为Ii·Ti＝0，设所述电流差积分值Si为Si＝(Ia-Ii)·Ti＝Ia·Ti。

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