CN103008836A - 具有短路电弧熔滴控制功能的焊机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有短路电弧熔滴控制功能的焊机，用于熔化极气体保护焊，系统包括一个采用PWM脉宽调制控制方式的逆变器，提供焊接所需的能量，提供焊接电极和工件，当在此焊接电流回路中，逆变器的输出电压Uinv处在一个很低的水平，同时焊接电流呈现锯齿波上升趋势时，通过外部控制，将另一个反向电压源接通。本发明提供的具有短路电弧熔滴控制功能的焊机，采用与逆变器触发频率的脉冲信号同步的采样频率来采样，得到的焊接电压瞬时值是非常真实有效地，同时利用此信号来触发反向电压源的开通时机就和实际焊接短路区间的时间点更加接近，显著减少焊接过程中液态金属的飞溅，从而增强了操作的安全性，降低成本，提高生产效率。

Description

具有短路电弧熔滴控制功能的焊机

技术领域

本发明涉及一种具有短路电弧熔滴控制功能的焊机。

背景技术

熔化极气体保护电弧焊（GMAW）是一种表面堆焊方式，将一种或者多种金属材料，通过焊接或者钎焊的手段，连接在一起。焊接过程中，需要提供外加保护气体氛围，填充的材料可以是丝状或者带状金属。焊接电源的作用是将填充材料按照要求进行持续熔化。焊接过程包括两个时间区间：电弧燃烧区间和短路区间。在电弧燃烧区间，随着电弧的热量作用，填充材料不断的熔化，形成熔滴。随着填充材料持续不断的往工件移动，熔滴越来越大。最后，熔滴和焊接熔池接触，形成短路，进入短路区间。短路导致电流迅速增大，增大的电流将导致短路的液态金属连接桥断开，电弧将再次点燃，回到电弧燃烧区间。在短路区间，液态金属完成了从焊丝末端到工件的转移，并且在此区间由于大电流的作用，产生了大量的能量，并且重新引弧的时机是完全随机的。在短路区间最后瞬间，时常会出现了瞬时的高电流和高电压同时并存的情况，导致焊接出现不希望有的飞溅，飞溅主要发生在液态金属段路桥断开到电弧重新引燃的瞬间。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种具有短路电弧熔滴控制功能的焊机，解决现有技术的缺陷，减少焊接过程中液态金属的飞溅，增强了操作的安全性，降低成本，提高生产效率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种具有短路电弧熔滴控制功能的焊机，包括逆变焊接电源模块、焊接件、逆变器控制部件、反向电压源、反向电压源控制部件、电压传感器、电流传感器、参数设定装置；

所述逆变焊接电源模块与焊接件相连构成焊接回路，所述逆变器控制部件与逆变焊接电源模块相连用于控制焊接电源的输出，所述反向电压源通过反向电压源控制部件控制可与焊接件串联接入焊接回路；所述电压传感器与焊接件并联，用于测量焊接电压瞬时值，电流传感器与焊接件串联，用于测量焊接电流瞬时值；所述参数设定装置与反向电压源控制部件相连，用于给定焊接过程中电流和电压的设定值；所述电压传感器，电流传感器均分别同时与逆变器控制部件、反向电压源控制部件相连，所述逆变焊接电源模块、逆变器控制部件和反向电压源控制部件相互连接通过Syn信号同步。

所述逆变焊接电源模块包括与供电电源相连的逆变器，所述逆变器为PWM脉冲宽度调制方式的逆变器。

所述焊接件包括焊接电极和工件；所述逆变焊接电源模块，两端分别与焊接电极和工件相连构成焊接回路。

所述逆变焊接电源模块，为从电网获得的供电电源，经过三相整流桥和同步时钟Syn同步工作的PWM（脉冲宽度调制）逆变回路，给逆变器提供输入，逆变器的次级经过整流后输出两端分别与焊接电极和工件相连，提供焊接需要的电流电压。

所述逆变焊接电源模块与焊接电极之间，依次串联有平波电抗器和线路等效电感。

所述工件与逆变焊接电源模块之间串联有电流传感器，所述电流传感器一路通过第一开关直接与工件连接，另一路通过相串联的反向电压源和第二开关与工件连接；所述第一开关和第二开关由反向电压源控制部件控制开关。

所述第一开关和第二开关为IGBT或MOSFET。

所述电压传感器，用于测量焊接电压瞬时值中有代表性的电压值。

所述电流传感器，用于测量焊接电流瞬时值中有代表性的电流值。

所述逆变器控制部件、反向电压源控制部件和参数设定装置中安装有微控制器或DSP（数字信号处理）控制器。

有益效果：本发明提供的具有短路电弧熔滴控制功能的焊机，采用了与逆变器触发频率的脉冲信号同步的采样频率来采样，得到的焊接电压瞬时值是非常真实有效地，同时利用此信号来触发反向电压源的开通时机就和实际焊接短路区间的时间点更加接近，电流降低的时机越准确，下降的幅度越恰当，焊接的飞溅就能越好的被控制住；在短路区间里，当焊接电流和焊接电压出现短路桥断开的典型值时，将焊接的电流和电压骤降，从而控制飞溅时的能量输入，从而减少焊接过程中液态金属的飞溅，增强了操作的安全性，降低成本，提高生产效率。 

附图说明

图1为本发明的电路示意图；

图2 为现有技术的焊接的两个区间对应的焊接电压U和焊接电流I的曲线图；

图3 是本发明焊接的两个区间对应的焊接电压U和焊接电流I的曲线图；

图4为本发明中逆变器输出的电压Uinv波形图。

图中：逆变焊接电源1，逆变器控制部件2，第一开关3，第二开关4，反向电压源5，反向电压源控制部件6，平波电抗器7，线路等效电感8，焊接电极9，工件10，电压传感器11，电流传感器12，参数设定装置13。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，为一种具有短路电弧熔滴控制功能的焊机，包括逆变焊接电源模块1、焊接件、逆变器控制部件2、反向电压源5、反向电压源控制部件6、电压传感器11、电流传感器12、参数设定装置13；所述逆变焊接电源模块1与焊接件相连构成焊接回路，所述逆变器控制部件2与逆变焊接电源模块1相连用于控制焊接电源的输出，所述反向电压源5通过反向电压源控制部件6控制可与焊接件串联接入焊接回路；所述电压传感器11与焊接件并联，用于测量焊接电压瞬时值，电流传感器12与焊接件串联，用于测量焊接电流瞬时值；所述参数设定装置13与反向电压源控制部件6相连，用于给定焊接过程中电流和电压的设定值；所述电压传感器11，电流传感器12均分别同时与逆变器控制部件2、反向电压源控制部件6相连，所述逆变焊接电源模块1、逆变器控制部件2和反向电压源控制部件6相互连接通过Syn信号同步。所述逆变焊接电源模块1包括与供电电源相连的逆变器，所述逆变器为PWM脉冲宽度调制方式的逆变器。所述焊接件包括焊接电极9和工件10；所述逆变焊接电源模块1，两端分别与焊接电极9和工件10相连构成焊接回路。所述逆变焊接电源模块1，为从电网获得的供电电源，经过三相整流桥和同步时钟Syn同步工作的PWM脉冲宽度调制逆变回路，给逆变器提供输入，逆变器的次级经过整流后输出两端分别与焊接电极9和工件10相连，提供焊接需要的电流电压。所述逆变焊接电源模块1与焊接电极9之间，依次串联有平波电抗器7和线路等效电感8。所述工件10与逆变焊接电源模块1之间串联有电流传感器12，所述电流传感器12一路通过第一开关3直接与工件10连接，另一路通过相串联的反向电压源5和第二开关4与工件10连接；所述第一开关3和第二开关4由反向电压源控制部件6控制开关。所述第一开关3和第二开关4为IGBT或MOSFET。所述电压传感器11，用于测量焊接电压瞬时值中有代表性的电压值。所述电流传感器12，用于测量焊接电流瞬时值中有代表性的电流值。所述逆变器控制部件2、反向电压源控制部件6和参数设定装置13中安装有微控制器或DSP控制器。 

本发明提供的具有短路电弧熔滴控制功能的焊机，从电网输入的交流电通过逆变器转换，一端输出给第一开关3直接与工件10，组成第一个焊接电流回路，和逆变器另一端相连的是一个由平波电抗器7，线路等效电感8和焊接电极9构成的第二个焊接电流回路，平波电抗器7和线路等效电感8产生的电流冲击通过逆变焊接电源模块1内部的续流二极管来释放。另一个电流回路是由反向电压源控制部件6控制的反向电压源5，可以在满足第一个预设条件时，将反向电压源电压源串联到电流回路，满足第二个预设条件时，将反向电压源从焊接回路中断开。逆变焊接电源模块1、逆变器控制部件2和逆变器三者工作通过Syn信号同步。电压传感器11负责采集焊接电压，电流传感器12负责采集焊接电流；采集的电流电压分别传递给逆变器控制部件2和反向电压源控制部件6，参数设定装置（13）负责给定焊接过程中的第一预设条件和第二预设条件。工件10所连的为负极，我们将工件10上的电压作为基准电平来进行参照。电流回路可串联一个反向电压源5为直流电压源，极性如图所示，用+，-来标示。可以根据需要通过第一开关3和第二开关4将反向电压源5连接到电流回路。第一开关3和第二开关4为互锁的开关，反向电压源5可以通过这对互锁的开关来实现切换，接入到电流回路或是被旁路。当需要接入反向电压源5时，第一开关3断开，同时第二开关4闭合。相对的，不需要接入反向电压源5时，第一开关3闭合，同时第二开关4断开，桥接掉反向电压源5。参数设定装置13，用于给定电流和电压的设定值：设定电压US set，和设定电流IS set，两个给定值的大小是通过外部的操作指令获得的，这两个值同焊丝直径，焊丝类型，保护气种类以及所用的焊接方式相关。

当在此焊接回路中，逆变器的输出电压Uinv处在一个很低的水平，同时焊接电流呈现锯齿波上升趋势时，通过反向电压源控制部件6的控制将另一个反向电压源5串联到焊接回路，焊接过程中，通过电压传感器11和电流传感器12实时采样焊接电压电流的典型值曲线，获得并存储与逆变器的触发频率同步的焊接电压的瞬时值。逆变器的输出电流是可以根据需要进行调节的，逆变器在焊接的两个区间里，电压特性、功率输出特性、阻抗特性是可以根据需要进行调节的，逆变器在焊接的两个区间里，可以工作在不同的控制类型。当焊接过程出现第一个预设条件，控制系统将反向电压源接入到电流回路；当出现第二个预设条件，控制系统将会将反向电压源从焊接电流回路中断开。在逆变器电压的输出触发期间t1中，可测得有代表性的焊接过程电压的瞬时值Ut1；在逆变器电压的输出停止期间t2中，可测得有代表性的焊接过程电压的瞬时值Ut2。第一个预设条件、第二预设条件可以同以下参数中的一个或几个相关：焊接电流的瞬时值、焊接电流&焊接电压瞬时值的乘积、焊接电流&焊接电压瞬时值的比值、逆变器电压输出触发期间的焊接电压瞬时值Ut1、逆变器电压输出停止期间的焊接电压瞬时值Ut2、焊接的过程参数，例如光辐射，声场变化，电场变化以及磁场变化；在此，第一个预设条件和第二个预设条件的判断和执行，可以通过控制部分的程序软件的方式来实现。

焊接电压的瞬时值采集数据分为两个变量，第一个变量是，通过逆变器的触发同步脉冲，可以准确的获得逆变器输出停顿时间t2的实时焊接电压值。另一个的变量是，通过逆变器的触发同步脉冲，获得逆变器触发时刻t1的实时焊接电压值。通过监测以上两个变量。当测量电压的瞬时值出现了预先定义好的条件（“反向电压源的触发条件”），反向电压源接入电流回路。预先定义的条件需要根据工艺环境来确定。焊接过程中的其他的电流电压特征作为从属参数，作为评判的参考依据。

本发明一个最有利的地方，就是显著降低了焊接的飞溅。反向电压源的输出可调幅值范围控制在0V到反向电压源的输出能力的上限。通过控制反向电压源的幅值，可以对焊接电流突变的变化率di/dt起到效果，从而达到最大程度的减少焊接飞溅。同时还规定，反向电压源的开通条件可以按照序列和统计得到一个触发条件的集合。当第二个触发条件（“熔滴过渡结束”）满足时，反向电压源的从电流回路断开。本触发条件和电流的值直接相关。将焊接电流的尖峰过程结束作为判断依据。同时，焊接电流和焊接电压的乘积和比值也可以作为判断的依据。事实上，其他焊接参数，例如焊接电弧的亮度变化，焊接过程的音波变化，焊接电弧的电场和磁场变化也可以作为关联参数考虑进来。

为了及时准确判断“反向电压源的触发条件”，可以采用了以下判断方法：持续比较两个测量值，当两个值之间的差值超过预定值，可以认为条件达到。另外一种触发方式为：我们可以从实时测量的焊接电压中获得焊接电压的真实值，将此真实值和给定的短路的典型电压特征值进行比较，作为依据。同时，对以上两种判断方式，都可以指定一个焊接电压必须达到的持续时间，达到时间才认为满足条件。

图2和图3分别显示了焊接的两个区间对应的焊接电压U和焊接电流I的曲线，其中，图2 为现有技术的电流电压波形，图3 是本发明的电流电压波形。

如图2所示，在第一个焊接过程（区间1），电弧燃烧，在焊接电极和工件之间没有金属液体材料的传递。此时的焊接电流和焊接电压都可以理想化的认为是个常量。

随着熔滴的不断增大，进入短路过程（区间2）。由于液态金属在焊接电极和工件之间形成短路桥。焊接电压迅速跌落到接近为0，同时电流开始上升。在短路过程中，随着电场和磁场的共同作用，短接桥的上端薄弱连接部位开始收缩，并最终断裂。液态金属完成了从焊接电极到工件的转移过程。所以短路过程也可以称作是熔滴转移的过程。在短路过程的最后阶段，金属短路桥断开，熔滴完全脱落，进入第三个过程（区间3）电弧重新引燃。在短路过程的结束时刻，将会同时检测到突然增大的焊接电压，以及仍然处于很高的焊接电流。

本发明提供了一个测量实时焊接电压Us的装置。电压采样利用了和逆变器触发频率同步的波形，如图4所示。逆变器的输出电压Uinv的周期图中用T来表示，分为逆变开通触发时间t1和停止时间t2。焊接电压的实时测量值和同步脉冲Syn同步，一个周期采样两个电压值，逆变器触发开通时刻（t1）的瞬时电压值和逆变器停止时刻（t2）的焊接电压值。这个过程是反向电压源控制部件6来执行的，同时该部件还存储这些采集到的电压值。反向电压源控制部件6始终实时的采集上面描述的电压值，当此电压值出现急速上升时，这就代表当前的熔滴已经完成脱落。同样也代表了区间2短路区间的结束。通过给定合适的触发条件，精确的确定好熔滴分离的时机。控制第二开关4闭合，第一开关3断开，将反向电压源接入到电流回路。这样就可以起到同时降低焊接电压和焊接电流的目的。通过控制反向电压源的UG值，可以控制焊接电流的下降速度。

图3显示的是经过本发明控制之后的焊接电流和电压的曲线，对比图2，可以发现，从焊接电压突然上升之后，焊接电压经过反向电压源UG的作用，在熔滴分离，也就是短路过程结束之后，电流和电压的值显著降低。电流的下降速度dI/dt，取决于UG的幅值大小，可以控制下降速度，达到降低焊接飞溅的目的。

至于“反向电压源触发接入”的时机，可以通过图1中的参数设定装置13来设定。可以根据不同的焊接电流电压，实际的焊接情况，来预先设定好相对应的阀值或者是差值。当焊接电压达到阀值时，反向电压源触发接入。也可以比较相邻的两个采样电压值，当偏差超过预先定义的差值时。控制方向电压源接入。

作为一种替代方法，电压传感器11的连接位置，也可以两端分别直接连接到焊接电极9和工件10。以便焊接电压实际值的采样尽可能的真实。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本发明领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有短路电弧熔滴控制功能的焊机，包括逆变焊接电源模块、焊接件、逆变器控制部件、反向电压源、反向电压源控制部件、电压传感器、电流传感器、参数设定装置；

所述逆变焊接电源模块与焊接件相连构成焊接回路，所述逆变器控制部件与逆变焊接电源模块相连用于控制焊接电源的输出，所述反向电压源通过反向电压源控制部件控制可与焊接件串联接入焊接回路；所述电压传感器与焊接件并联，用于测量焊接电压瞬时值，电流传感器与焊接件串联，用于测量焊接电流瞬时值；所述参数设定装置与反向电压源控制部件相连，用于给定焊接过程中电流和电压的设定值；所述电压传感器，电流传感器均分别同时与逆变器控制部件、反向电压源控制部件相连，所述逆变焊接电源模块、逆变器控制部件和反向电压源控制部件相互连接通过Syn信号同步。

2.根据权利要求1所述的具有短路电弧熔滴控制功能的焊机，其特征在于：所述逆变焊接电源模块包括与供电电源相连的逆变器，所述逆变器为PWM脉冲宽度调制方式的逆变器。

3.根据权利要求2所述的具有短路电弧熔滴控制功能的焊机，其特征在于：所述焊接件包括焊接电极和工件；所述逆变焊接电源模块，两端分别与焊接电极和工件相连构成焊接回路。

4.根据权利要求2所述的具有短路电弧熔滴控制功能的焊机，其特征在于：所述逆变焊接电源模块，为从电网获得的供电电源，经过三相整流桥和同步时钟Syn同步工作的PWM脉冲宽度调制逆变回路，给逆变器提供输入，逆变器的次级经过整流后输出两端分别与焊接电极和工件相连，提供焊接需要的电流电压。

5.根据权利要求3所述的具有短路电弧熔滴控制功能的焊机，其特征在于：所述逆变焊接电源模块与焊接电极之间，依次串联有平波电抗器和线路等效电感。

6.根据权利要求3所述的具有短路电弧熔滴控制功能的焊机，其特征在于：所述工件与逆变焊接电源模块之间串联有电流传感器，所述电流传感器一路通过第一开关直接与工件连接，另一路通过相串联的反向电压源和第二开关与工件连接；所述第一开关和第二开关由反向电压源控制部件控制开关。

7.根据权利要求6所述的具有短路电弧熔滴控制功能的焊机，其特征在于：所述第一开关和第二开关为IGBT或MOSFET。

8.根据权利要求1所述的具有短路电弧熔滴控制功能的焊机，其特征在于：所述电压传感器，用于测量焊接电压瞬时值中有代表性的电压值。

9.根据权利要求1所述的具有短路电弧熔滴控制功能的焊机，其特征在于：所述电流传感器，用于测量焊接电流瞬时值中有代表性的电流值。

10.根据权利要求1所述的具有短路电弧熔滴控制功能的焊机，其特征在于：所述逆变器控制部件、反向电压源控制部件和参数设定装置中安装有微控制器或DSP控制器。

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