CN103003019A - 短弧焊接系统 - Google Patents

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Abstract

一种控制用于短弧焊接的弧焊接装置中的焊接电流的系统，其包括：电流调节器，其包括在从电源到焊接电极的电压反馈回路中；和斜坡产生器，其被配置来在短路阶段期间在所述焊接电极处提供电流斜坡。

Description

短弧焊接系统
技术领域
本发明涉及一种控制用于短弧焊接的直流电弧焊接装置中的焊接电流的系统。本发明尤其涉及一种控制用于短弧焊接的直流电弧焊接装置中的焊接电流的系统，其包括：电流调节器，其包括在电压反馈回路中；和斜坡产生器，其被配置来在短路期间提供电流斜坡。此外，本发明涉及一种用于控制电源的方法。
背景技术
本发明涉及一种控制用于短弧焊接的直流电弧焊接装置中的焊接电流的系统。短弧焊接是气体保护金属极弧焊接中的金属转移模式，其中一滴熔化金属将在金属转移的过程中与熔化电极分开之前浸入焊接熔池中。
在气体保护金属极弧焊接中，熔化电极被持续馈送向焊接区。通常来说，用于金属弧焊接的系统包括焊接吹管、工件、电源、焊丝馈送单元和保护气体供应器。用于金属弧焊接的系统还包括用于控制电源的焊接电流的系统。提供用于控制焊接电流的系统来为电源产生参考电流。参考电流控制电源使得焊丝电极的熔化和熔化金属到工件的转移可视需要被控制。焊接电流和电压被控制以确保以所需金属转移模式来执行焊接。
在气体保护金属极弧焊接(GMAW)中，其包括金属活性气体(MAG)焊接和金属惰性气体(MIG)焊接，在工件与熔化焊丝电极之间建立电弧。在馈送焊丝到焊接熔潭时，弧持续熔化焊丝。弧和熔化材料通过惰性气体流或活性气体混合物而与大气隔离。MIG和MAG通常用焊丝阳极在D.C.(直流电)上操作。这已知为“反向”极性。“正”极性较不常使用，这是因为熔化金属从焊丝电极到工件的较差转移。在15V到32V的焊接电压下通常使用50安培直到大于600安培的焊接电流。通过使用恒定电压电源和恒定焊丝馈送速度，可以获得稳定的、自我校正的弧。持续的发展已使MIG工艺适用于所有商业上很重要的金属的焊接，诸如钢、铝、不锈钢、铜和其它几种金属。
MIG和MAG焊接工艺在用于低生产应用和高生产应用的手动和自动金属接合中提供许多优点。当与手动金属弧焊接(MMA)埋弧(SAW)和钨惰性气体(TIG)比较时，其组合优点是：
1)在所有位置都可焊接。
2)不需要熔渣去除。
3)高焊接金属沉积率。
4)焊接完成的时间约为敷料电极的1/2。
5)高焊接速度。工件的较不扭曲。
6)高焊接品质。
7)易于填充或桥接的大间隙，使得某些类型的修复焊接更有效。
8)杆电极中无握柄料损失。
在MIG和MAG焊接技术中，在不同金属转移模式之间产生扭曲：短弧转移模式、混合弧（球状）转移模式、喷射弧转移模式和脉冲喷射弧转移模式。
在短弧转移模式期间会产生相当大的熔化液滴。熔化液滴将成长为其桥接电极与焊接熔池之间的间隙的状态。电源的短路和弧的消失将立即发生。收聚效应将由斜坡产生器控制来完成熔化液滴到焊接熔池的转移。短弧焊接是在相对低的电压和焊接电流下执行。
当焊接电流和电压增大超出短弧焊接所承受的最大值时，发生混合弧转移。尺寸会变化的液滴是由使液滴短路和不导电的混合物组成。这种金属转移模式不稳定，常伴有滴落和浓烟。
在喷射弧焊接模式中，小的熔化液滴从电极被随机转移。小的熔化液滴不会使弧短路。在喷射弧焊接中，弧稳定且不会产生令人生厌的滴落。
在脉冲喷射弧焊接模式中，通过控制脉冲焊接电流而从电极一个接一个地转移小的熔化液滴而不会使弧短路。脉冲弧焊接需要复杂且昂贵的焊接装置。
短弧焊接是在相对低的电压和焊接电流下执行。焊丝的馈送速度适合焊接电流使得熔化金属液滴被转移到工件且与工件接触。液滴的尺寸应使得大致避免飞溅。
短弧焊接通常使用直径在0.030英寸（0.76毫米）到0.045英寸(1.1毫米)范围内的小焊丝，且在低的弧长度（低电压）和焊接电流下操作。获得小的快速凝固的焊接熔潭。这种焊接技术对于在任何位置接合薄材料、在垂直且仰焊位置接合厚材料，且对于填充大间隙尤其有用。短弧焊接还应在需要工件的最小化扭曲的情况下使用。金属仅在焊丝与焊接熔池接触或在各自短路时才从焊丝转移到焊接熔池。焊丝使工件每秒钟短路20次到200次。
图1示意性地图示一个完整的理想短弧周期。一滴熔化材料生长在电极的端部。当液滴接触焊接熔池(A)时，弧短路，焊接电流开始上升且液滴被转移。此后弧被重新点燃。以容许液滴与焊接熔池的接触发生在液滴的分开之前的速度来馈送焊丝。在电极与焊接熔池经由液滴接触期间，弧将通过另一短路(I)而熄灭。此后再次开始周期。在弧周期期间无金属被转移；仅在短路时转移。在未发生所谓的开路状态的情况下周期才是理想的。
开路状态是当电极上不存在弧或短路时的状态。与弧状态比较，开路状态在电极与工件之间电压更高。开路状态下的高压实现从短路状态到弧状态的更快转变。
短弧焊接过程本质上是随机且难以控制的。焊接过程的短路阶段和弧阶段的控制具挑战性，且开路的发生给短弧焊接过程的控制增加了复杂性。开路状态通常不被期望且随机出现。
在电压反馈回路中，电极与焊接熔池之间的电压被测量。将测量电压与参考电压作比较。电流调节器取决于感应电压与参考电压之间的差来调节输出电流，以便减少传统方式中的调节误差。适宜地，PI调节器可用于这个目的。
在用于控制短弧焊接的先前技术系统中，弧阶段通常由与电流上升限制器串联连接的电压调节器来控制电压。这导致难以控制弧状态和短路状态，这是由于电压调节器会影响电流上升限制器且反之亦然。
发明内容
本发明的目的是进一步改进用于控制短弧焊接装置中的焊接电流以便进一步稳定短弧焊接过程的系统。
本发明的另一目的是提供一种控制用于短弧焊接的直流电装置中的焊接电流的系统，其利于在短弧焊接的弧阶段和短路阶段下的精确控制。
这些目的是通过根据权利要求1的控制用于短弧焊接的弧焊接装置中的焊接电流的系统来实现。用于控制焊接电流的系统包括电流调节器，所述电流调节器包括在从电源到焊接电极的电压反馈回路中。电源是恒定电流源，其取决于进入的参考电流而控制焊接电极与工件之间的电流。在电压反馈回路中，检测焊接电压且将其与电压参考值比较以形成到包括在所述电压反馈回路中的电流调节器的输入。在弧阶段期间，电极上的电压由电压反馈回路中的电流调节器控制。因此，恒定电流电源在弧阶段期间归因于弧阶段期间参考电流的电压反馈控制而给予恒定电压特征。
斜坡产生器被配置以在短路阶段期间提供电流斜坡。在所述短路阶段期间提供的电流斜坡被提供来完成熔化液滴到焊接熔池的转移。这是通过因电流斜坡引起的收聚效应来执行。为了产生稳定的焊接状况，短路阶段期间焊接电流的形状很重要。需要对电流斜坡的形状有良好控制来避免飞溅并且实现焊接过程的稳定控制。本领域技术人员熟知斜坡产生器及其功能。因此，本领域技术人员可以传统方式选择斜坡产生器的组件来达到电流斜坡的所需形状。由斜坡产生器产生的电流斜坡被增加到来自电压反馈回路中的电流调节器的输出电流，来形成用于电源的参考电流。
短路阶段期间的电流响应很大程度上是造成焊接过程稳定性的原因。此处电流响应意谓电极上的输出电流的变动取决于（例如）发生短路时或短路状态改变成弧状态时发生的负载的改变。电流响应取决于控制到电源的参考电流的反馈回路的结构以及取决于由斜坡产生器提供的斜坡的形状。
通过分开斜坡产生器和电压反馈回路中的电流调节器并且使其并联配置，易于可对弧状态下的弧进行电压控制和在短路状态中进行电流控制。电压反馈回路中的电流调节器控制参考电流以便减少输出电压与参考电压之间的调节误差。电流调节器是PI调节器，其使得能够控制平均电压。由于电流调节器中的集成使得来自电流调节器的响应很慢，所以短路阶段期间输出电压的任何改变将不会造成来自电流调节器的输出电流的立即校正。因此，电源在短路阶段期间将是电流受控制且在弧阶段期间是电压受控制，且因此在弧阶段期间用作为恒定电压电源且在弧阶段期间用作为恒定电流电源。电流受控制意谓电源的输出电流受控制。电压受控制意谓电源的输出电压受控制。到电源的参考电流是来自所述电流调节器的输出电流和由所述电流调节器提供的电流斜坡之和。通过并联配置斜坡产生器和电流调节器，利于精确控制参考电流，这是因为减少了电压反馈回路中的电流调节器的影响。
电压反馈回路可包括减法节点，在所述减法节点因测量的弧电压与参考电压之间的差而产生反馈误差。
电压反馈回路可包括开路检测器，所述开路检测器被配置来检测开路状态的存在并且在检测到开路状态时抑制误差信号。
在短路焊接中，可能随机出现开路状态。在开路状态期间存在过程的中断使得电极上不会发生弧或短路。在开路状态下，电极与工件之间存在开路电压。开路电压是电源的内在特征。在短路阶段期间或在弧阶段期间，开路电压通常大大高于工作电压。在短弧焊接期间，当平均电压和焊丝馈送速度很慢时，开路状态发生在短弧范围的较低范围下。在先前技术系统中，短弧焊接中的电源由来自电源的反馈回路中的电压调节器来控制，所述调节器在短路阶段和弧阶段期间使用平均电压作为控制参数。开路回路状态增大了平均输出电压。如果电源由在开路状态期间不补偿开路回路电压的电压调节器控制，那么电压调节器会减小电源的输出电压。
电源的输出电压的减小缩短了弧阶段，从而造成更多开路阶段。因此，电压调节器将操作情形认作为输出电压表面上是高的，但在焊接的生产阶段（即短路阶段和弧阶段）期间实际上是低的。因此，系统将保持在其中经常发生开路状态的情况下，这使得焊接效率低并且品质低。
如在本发明的实施方案中所提出，通过在检测到开路状态时抑制误差信号进入电流调节器，可以在开路状态期间避免高压的曲解。在弧形态的操作情况因此可以由电压反馈回路中的电流调节器精确控制而不受随机出现的开路状态的影响。
特定来说，开路检测器可以连接到开关，所述开关被配置以取决于是否检测到开路状态而连接或断开电流调节器的输入端与所述减法节点的输出端。
所述系统还可包括短路检测器，所述短路状态检测器具有用于检测短路状态的阈值电平，所述阈值电平取决于供应到所述电源的参考电流的幅值。
本发明还涉及一种短弧焊接系统，其包括电源和连接到所述电源的焊接吹管，所述电源由如上所述的系统所控制。
本发明还涉及一种控制用于短弧焊接的直流电弧焊接装置中的电源的方法，所述直流电弧焊接装置包括：电流调节器，其包括在从电源到焊接电极的电压反馈回路中；和斜坡产生器，其被配置以在所述焊接电极的短路阶段期间提供电流斜坡。在根据本发明的方法中，在所述短路阶段期间控制电源的输出电流。在所述弧阶段期间控制电源的输出电压。
根据本发明的方法使得能够在短路阶段期间良好控制电流斜坡的形状，同时使得能够在弧阶段期间正向控制电压。
在本发明的实施方案中，检测到开路状态使得能够抑制在短路状态的周期期间的调节误差。因此，开路状态将不会影响电流参考值，因此能够实现高精度地控制输出电压并且防止在开路状态下参考电流归因于电极与工件之间的高电压而漂移。
附图说明
将参考附图描述本发明的实施方案，其中：
图1示出了最先进技术的短弧焊接过程的大体描述，
图2是根据本发明的控制用于短弧焊接的弧焊接装置中的焊接电流的系统的示意图，和
图3示出了焊接系统的示意图。
具体实施方式
图2示出了控制用于短弧焊接的弧焊接装置20（图3）中的焊接电流的系统12。
电压反馈回路13控制连接到恒定电流电源的焊接电极处的电压。
恒定电流电源包括电流反馈回路5a，电流反馈回路5a比较输出电流与由用于控制弧焊接装置20（图3）中的焊接电流的系统12提供的参考电流。包括在恒定电流电源5中的电流调节器取决于参考电流与输出电流之间的调节误差来控制电源的输出电流。
电压反馈回路13包括减法节点1，此处从节点1中的参考电压Uref减去输出电压Uarc。输出电压Uarc与参考电压Uref之间的差构成调节误差E，其作为输入信号通过开关2被输送到PI调节器3。
电压反馈回路13还包括电流调节器（优选的是PI调节器3）、开关2和开路状态检测器6。
开关2由来自开路状态检测器6的信号所驱动，开路状态检测器6包括低通过滤器6a和比较器6b。开路电压阈值Uo.c.是在其上仅可能是开路状态的阈值电平。电流调节器3具有连接到开关2的输入端3a。当由开路状态检测器6感应到开路状态时，开关2断开。因此，PI调节器的输入电压（所述输入电压对应于调节误差）将被设定为零。
因此，PI调节器3将假定电极与工件上的电压在开路状态期间是适当的。当到PI调节器的输入信号在开路状态期间被抑制时，PI调节器将保持其现有状态并且内部电荷和来自PI调节器的输出电流Ireg都不会改变，如此，电压调节反馈回路将不考虑在无弧阶段期间有增大的反馈电压。
在求和节点4中，输送参考电流信号Iref到电源5，来自PI调节器3的信号被添加到来自斜坡产生器11的信号。
短路状态是由短路检测器7感应，短路检测器7包括低通过滤器8和比较器10。当检测电压Uarc低于可取决于参考电流的阈值Uth时，斜坡产生器接通来产生电流斜坡。
比较器10的阈值可以取决于电流。通过添加与参考电流Iref和零电流阈值电压Us.c.o成比例的信号而在求和节点9中建立阈值信号。当短路检测器检测到短路状态时，斜坡产生器11将产生具有预定义上斜坡和下斜坡的额外斜坡电流Iramp。
图3示意性地表示用于短弧焊接的弧焊接装置20。短弧焊接装置20包括电源21、焊接控制系统22、焊丝卷筒23、焊丝馈送电动机24、保护气体供应器25和焊接吹管26。图中的系统被设定用于对焊接件27执行焊接操作。
根据本发明的用于控制焊接电流28的系统连接到电源用于在操纵期间控制所述焊接电流。用于控制焊接电流28的系统可方便地整合到电源21的外壳中。
电源的输出电压和焊接电流可以由图2中描述的电路来控制。视情况经由焊接控制系统22，来自电源的一条电力电缆29a连接到工件27且另一条29b连接到焊接吹管26的电极32。
保护气体供应器25通过管子系统连接到焊接吹管2。气体量可以经由焊接控制系统22来调节。
另外，冷却通道可存在于焊接吹管中。冷却液体入口通道30和出口通道31可以连接到焊接吹管中的冷却通道。
焊丝馈送发动机24在操作期间控制焊接电极的馈送。

Claims (11)

1.一种控制用于短弧焊接的直流电弧焊接装置(20)中的焊接电流的系统(12)，其包括：电流调节器(3)，其包括在从电源(5)到焊接电极(32)的电压反馈回路(13)中；和斜坡产生器(11)，其被配置来在所述焊接电极(32)的短路阶段期间提供电流斜坡，所述系统(12)的特征在于所述电流调节器(3)和所述斜坡产生器(11)并联连接且提供所述电源(5)的参考电流(Iref)给所述焊接电极(32)。
2.根据权利要求1所述的用于控制焊接电流的系统，其特征在于所述参考电流(Iref)是来自所述电流调节器(3)的输出电流(Ireg)与从所述斜坡产生器(11)提供的电流斜坡(Iramp)之和。
3.根据权利要求1或2所述的用于控制焊接电流的系统，其特征在于所述电压反馈回路(13)包括减法节点(1)，在所述减法节点(1)因测量的弧电压(Uarc)与参考电压(Uref)之间的差而产生反馈误差(E)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的用于控制焊接电流的系统，其特征在于所述电压反馈回路(13)包括开路检测器(6)，所述开路检测器(6)被配置来检测开路状态的存在且在由所述开路检测器(6)检测到开路状态时抑制反馈误差(E)。
5.根据权利要求4所述的用于控制焊接电流的系统，其特征在于所述开路检测器(6)连接到开关(2)，所述开关(2)被配置来连接或断开所述电流调节器(3)的输入(3a)，其中所述减法节点(1)的输出取决于是否检测到开路状态。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于控制焊接电流的系统，其特征在于所述电流调节器(3)是PI调节器。
7.根据前述权利要求中任一项所述的用于控制焊接电流的系统，其特征在于所述系统(12)还包括短路状态检测器(7)，所述短路状态检测器(7)具有用于检测短路状态的阈值电平(Uth)，所述阈值电平(Uth)取决于供应到所述电源(5)的所述参考电流(Iref)的幅值。
8.一种直流电短弧焊接系统(20)，其包括电源(5)和连接到所述电源(5)的焊接吹管(26)，所述直流电短弧焊接装置(20)的特征在于所述电源由根据权利要求1至7中任一项所述的用于控制焊接电流的系统(12)所控制。
9.一种控制用于短弧焊接的直流电弧焊接装置(20)中的电源(5)的方法，所述直流电弧焊接装置(20)包括：电流调节器(3)，其包括在从电源(5)到焊接电极(32)的电压反馈回路(13)中；和斜坡产生器(11)，其被配置来在所述焊接电极(32)的短路阶段期间提供电流斜坡，所述方法的特征在于在所述短路阶段期间控制电源的输出电流并且在弧阶段期间控制输出电压。
10.根据权利要求9所述的用于控制电源的方法，其特征在于检测开路状态。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于当检测到所述开路状态时抑制反馈误差(E)输入到所述电压反馈回路(13)中的电流调节器(3)。
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