CN1058206C - 焊接电源的起弧装置 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种用于电弧焊接特别是起弧的方法和装置，其中向电焊条和焊件提供焊接电流的焊接电源包括一个含有一个感应线圈的焊接电流电源。该感应线圈和电流电源与一对输出端连接，从而形成一个包括电流源、输出感应线、输出端、电焊条以及焊件在内的焊接电流路径。该路径还包括一个高频电压电源。一个起弧电路在施加高频电压之前为感应线圈中的电流提供可控的电流通道，该起弧电流路径有别于焊接电流路径。

Description

焊接电源的起弧装置

本发明涉及焊接以及焊接电源，更具体地说是一种焊接时的起弧方法和装置。

电弧焊接是一种众所周知的工艺，在焊接过程中，焊条与焊件之间产生电弧，借助电弧的能量来完成焊接过程。电焊工艺包括许多类型，如SMAW(焊条保护型弧焊)和GTAW(气保护钨极电弧焊)，GTAW也称(TIG，钨极惰性气体)焊接。而且，所知焊接电源有多种供电方式，如DC供电方式、AC供电方式和AC/DC供电方式。电弧焊接工艺可以使用消耗型电极(SMAW)或非消耗型电极(GTAW)。

一种熟悉的DC焊接电源接受AC线电压，且为焊接提供一个合适的DC电流。这种电源装置可包括接收AC电压的整流器和把经整流后的电压转变为DC电流的转换器，有的电源装置也包括变压器和整流器。一般说来，DC电源装置的输出电路包括一个感应线圈，无论电弧位于何种状态，它将有助于维持一个持续的电流。不管负载有何变化(例如电弧长度的改变)，感应线圈都能产生足够的感应以维持电焊电流。

相似地，以转换器为基础的AC电源供给装置包括一个整流器、一个变压器、一个转换器和一个输出感应线圈(安装在变压器中)。

众所周知，在焊接中维持一个电弧比产生一个电弧容易，这从部分原因上讲是因为起弧之前，电弧(包含有电离气体)与非电离气体相比有较小的电阻，与维持一个电弧相比，产生一个电弧需要较高的电压。

众所周知的办法是提供一个高频覆盖以帮助起弧，这样的覆盖由施加的一个高频电压以及穿过电弧低电流信号组成。这个高频信号可以施加在一个与电弧电焊电源相连的高频耦合线圈上。这个高频耦合线圈可以是电焊电源式用于电焊电源的输出的外部线圈的一部分。这个高频覆盖可以只施加在起动时，维持运行时，或其它类似需要的地方。特别地，当这个高频施加后产生一个高频辉光放电，以帮助起弧。当通过输出感应线圈给焊机的输出施加一个较小的电压(比如小于100伏)时，辉光放电便转化为电弧。

在直到高频施加在前面所说的起弧装置上的感应线圈中，才有电流流动，然而输出感应线圈中产生一个电流需要较长的时间，这常常(与感应的大小有关)比辉光放电高频的有效时间还要长，因此起动装置不是很可靠的，因为焊接电流还没有到达足够大的值以维持到高频和辉光放电就已经停止了。

起弧装置经常作为附加装置进行销售，如US3751627所描述的那样。焊接起弧装置和电焊电源输出螺栓相联接，且焊接起弧装置依次提供输出螺栓和焊接电缆相连接。

在对现在的电焊电源件改进方面，这样的附件是有益的，并且不需要购买起弧装置，除非确实需要。与之等效，起弧装置做在电源内部是理想的，这样最大限度地降低复杂性和麻烦。本发明的目的是提供一种焊接电源，其中高频起动装置在高频电流或辉光放电结束之前提供合适的电流，这样对产生电弧是理想的。另外，这样一套系统的制造相对地简单且廉价，此外这套系统如果能够装入电源内部成为电源的一部分，或者作为外部件附在电焊输出螺栓上，将是理想的。

为此，本发明提供了一种用于向电焊条和焊件提供焊接电流的焊接电源，包括：一个焊接电流源，其包括一个输出感应线圈；一对输出端，其与所述焊接电流电源连接，输出端还可以与电焊条和焊件连接，从而构成一个包括电流源、输出感应线圈、输出端、电焊条和焊件在内的焊接电流通路；一个包括一个开关的起弧电路，其与焊接电流源和输出感应线圈相连，该起弧电路为感应线圈中流动的电流提供一个有别于焊接电流通路的可控电流通路；一个位于所述焊接电流电路内的高频耦合线圈；一个控制器，在起动焊接电流之前上述开关被接通。

按照另一种替代方案，起弧电路与一个直流源、一个感应线圈和一个开关相连，一个在焊接电流加入前控制开关闭合的控制器也被包含在内。这个开关可能是一个三极管或者其它种类的开关。按照另一种方案，起弧装置还包括一个限流元件，例如是一个电阻。

依据另一个装置，起弧电路包括一个分担输出感应线圈的磁心的起弧感应线圈，按照一种方案，起弧感应线圈和输出感应线圈是由单股感应线圈的并连分接头组成的。

在一种结构构成中，起弧电路向外与电源和输出螺栓相连，其中包括它自己的一对输出螺栓，这个起弧装置的螺栓可以和焊件以及焊条相连接。在另一种替换实施例中，起弧装置配置在电焊电源的内部而且和输出螺栓相连接。在其它的可选择装置中，电源可以是AC、DC或AC/DC的任意一种。

本发明所涉及到的另一个方面是一种电弧电焊的方法，包括通过焊条与焊件的感应产生电流以致形成焊接电流回路的步骤。当需要产生电弧时，将启动电压加上电焊电流回路，并且在启动电流出现前提供一个包括电感的启动电流回路。

本发明涉及到的第三个方面是与焊接电源配合使用的焊接起弧装置，该电源含有一个输出感应线圈和一个焊接电流电路，这个起弧装置包括一个在焊接电流回路中的高频电压源和一个起弧回路，起弧电路是连接在输出电感线圈，它提供一个不同于焊接电流电路的控制感应线圈中的电流的控制电路。

本发明所涉及到的第四个方面是一种启动焊接电弧的方法，它包括当要求产生电弧时将一个高频电压提供给一个焊接电流回路，并且在加入高频电压之前提供一个包含电感的起弧电流电路的步骤。

图1是一个直流焊接电源的示意图，该电源包含一个根据本发明的一个外置起弧装置。

图2是一个直流焊接电源的示意图，该电源包含一个根据本发明的一个实施例而内设的(或整体化的)一个起弧装置。

图3是关于交流焊接电源的示意图，该焊接电源含有一个根据本发明的一个实施例的一个内设起弧装置。

在详细介绍本发明的至少一个实施例之前，应该了解的是，本发明并不限于在随后对电路的描述或说明中对元件的设计和安排方面的细节。本发明也能够使其它装置以不同的方式工作或运行。还应该了解的是，这里所用到的措词和术语只是以更好的描述为目的，而并不应被看作是仅有的用法。

本发明主要是针对在焊接电源的使用中的起弧装置而作出的。它将在直流焊接电源的使用中详尽介绍，并且它的替代品将在交流焊接电源的使用中详尽介绍。但是，显而易见的，那些展示的替代品并不限定于所展示的结构。

现在让我们来看电路图1，一个标号为100的焊机向焊条110供应焊接电流以焊接焊件111。焊接电源101是个典型的直流焊接电源，它包括一个直流电压源102和一个输出感应线圈103。输出感应线圈103也可叫做稳弧器或控制器，这里用到的输出感应线圈趋向于使焊接电流维持在一个预先设计的幅度上。直流焊接电源101从输出螺栓104a和104b向外输出。传统的未使用本发明的直流焊接电源将焊条101与输出螺栓104a，焊件111与输出螺栓104b分别直接相连。

然而根据本发明，与输出螺栓104a和104b相连的是起弧装置105，它包括输出螺栓109a和109b，焊条110与109a相连，焊件111与109b相连。起弧装置105包括一个典型的高频耦合线圈106、一个三极管108和一个电阻107。早期的直流焊接电源包括一个起弧装置，该装置包括串联在一个诸如电感103的输出感应线圈与焊条之间的一个象线圈106的高频耦合线圈。

这里披露的具有创造性的起弧装置所产生的电流，在高频耦合线圈106所产生的高频电压加入之前，将流过感应线圈103。特别是，在高频电压加入之前，三极管108将被控制电路导通。这种控制电路的特别设计并不重要，它即可以是一个独立的控制电路，也可以是高频控制电路的一部分，或者是焊接电源101控制板的一部分。三极管108可能是某个开关，例如一个SCR，或是IGB三极管，或是一个继电器。当开关108闭合，电流便从直流电压源102流过感应线圈103和限流电阻107。这样便允许感应线圈103中的电流恢复(或可能使感线圈103的内部饱和)。然而，当高频电压作用于耦合线圈106时，便形成光亮的放电现象，感应线圈103中的电流便很大，并且大到足够启动和维持电弧的电流会很快形成。

电阻107是用来在使感应线圈103的内部饱和的过程中起限流作用的。当电流通过电弧形成以后，三极管108将截止。另一种情况下，当辉光放电现象发生时，三极管108也将截止。因此，如果电弧尚未形成，感应线圈103将导致一个高电压的形成，以补充由高频耦合线圈106所形成的高压，也将有助于启动电弧。在本发明的一个实施例中，感应线圈103产生的高电压本身就足以产生电弧。

因此，可以看到，那个包含一个在限流装置中的开关的简单却精致的电路将使电流以一种稳定并且持续的方式启动。几种安排的方案具有选择性，比如对三极管108选择使用不同类型的开关，或者针对电阻107使用不同类型的限流装置，或者整个忽略掉电阻107。另一种可选择的方式是通过控制电源来限流。还有一种选择是把起弧电路105放置在跨接在感应线圈103而不是电压源102的位置上。此时电流源被作为起弧电路105的一部分，以便使感应线圈103达到饱和。一个不同于高频耦合线圈106的高压源也可以使用。此外，耦合线圈106也可以与感应线圈103组合(磁性地或电气地)在一起。

图1中所示的实施例与电焊机输出端相连，因此是一个外部的启动装置。这样的一个起弧装置可以从焊接电源101中分离(或作为其中一部分)出售。由于起弧装置105与电源101的输出端相连，所以它可以很容易地拆卸以从电源中独立出来。

图2展示了可选择的具有创造性的起弧装置，该装置也用在直流电源上。电弧焊机200包括电源201，它的两个输出螺栓104a和104b分别与电焊条和焊件相连。电弧焊机200包括一个直流电压源102和一个输出感应线圈203，三极管108则通过限流电阻107或感应线圈203相连。感应线圈203与感应线圈103(图1中)不同，它包含有并联的分接头。第一个分接头用于焊接电流的输出，第二个分接头用于起弧装置，该装置包括电阻107和开关108。对应于焊接电流的分接头包含典型数量的线圈匝数，而对应于起弧装置的分接头却含有较多匝数的线圈，然而，感应线圈203的磁芯将被一个较小的流经电阻107和三极管108的电流所饱和。

图2所示的起弧装置的操作与电路图1中的相似。首先，在高频电压加入之前三极管108导通，则电流流过感应203、电阻107和开关108。但是当高频电压加入并且辉光放电现象发生时，将要流经焊条110和焊件111的电流就准备好了。因此，起弧以一种稳定的方式连贯地完成。图2所表现一个优点是只需较小的电流便可启动电弧，迄今为止，这种方式是所有方式中最有效。限流电阻107在这种方式中也将不再重要。

图2所示是一个内置的起弧装置，即起弧装置在焊接机器的内部。因此，电阻107的控制部件仍旧以传统的方式设置于焊机200的控制面板上。

另一个替代性的实施例是借助本发明中的起弧装置，它带有以一个交流转换器为基础的焊接电源，如电路图3所示。图3中所示的交流焊接电源包括一个直流电压源102、感应线圈103和转换器301。转换器301是由开关302、303、304和305组成的H形电桥。该H形电桥在输出螺栓104a和104b输出。焊条110通过一个高频线圈106与输出螺栓104a相连，焊件111则与输出螺栓104b相连。图3中还示出了一个电流变换器，它将用于监控输出电流。

总的来讲，直流电压源102和感应线圈103是用来提供一个直流。转换器301则切换这个直流流过机器的输出端，这样便可输出一个交流电流输出。依照本发明，起弧装置包括三极管108和电阻107，这些部件设置在直流电压源102和感应线圈103之间。这样一来，在通过高频线圈106加入高频电压以前，三极管108便已导通。如上所述，电流将流过感应线圈103，而当高频电压加入时，电流将准备提供给电弧。

此外，在该实施例中，电流变换器305是用来取得焊接电流的指示信号的。因为在电流流经电弧之前，如果突然使三极管108截止，将可能在焊条与焊件之间产生一个与各部件的尺寸等因素有关的不安全电压，变流器305则用来检测何时加入了焊接电流。具体说来，一个超过临界值的信号将被作为焊接电流已加入的标志，与此相对，一个低于临界值的信号将表明焊接电流尚未加入。在焊接电流尚未超过临界值时，三极管108的控制电路将使其维持在导通的状态。

对于这里所讨论的元件设计和设置，可以在不背离后附的权利要求的前提下作出不少修改。

Claims (32)

1.一种用于向电焊条和焊件提供焊接电流的焊接电源，其特征在于包括：

一个焊接电流源，其包括一个输出感应线圈；

一对输出端，其与所述焊接电流电源连接，输出端还可以与电焊条和焊件连接，从而构成一个包括电流源、输出感应线圈、输出端、电焊条和焊件在内的焊接电流通路；

一个包括一个开关的起弧电路，其与焊接电流源和输出感应线圈相连，该起弧电路为感应线圈中流动的电流提供一个有别于焊接电流通路的可控电流通路；

一个位于所述焊接电流电路内的高频耦合线圈；

一个控制器，在起动焊接电流之前上述开关被接通。

2.如权利要求1所述焊接电源，其中所述开关为一个三极管。

3.如权利要求1所述的焊接电源，其中所述起弧电路包括一个限流元件。

4.如权利要求3所述的焊接电源，其中所述限流元件为一个电阻器。

5.如权利要求1所述的焊接电源，其中所述输出感应线圈包括一个磁芯；所述起弧电路包括一个起弧感应线圈，该起弧感应线圈与所述输出感应线圈共享一个磁芯。

6.如权利要求5所述的焊接电源，其中所述起弧感应线圈和所述输出感应线圈均为一个多抽头感应线圈的一部分。

7.如权利要求1所述的焊接电源，其中所述输出端为输出螺栓，所述起动电压源为一高频耦合线圈，所述起弧电路与上述的输出螺栓相连，该电路进一步包括第二对螺栓，该第二对螺栓可以与电焊条和焊件相连接。

8.如权利要求1所述的螺接电源，其中所述输出端为输出螺栓；所述起弧电路设于焊接电源内，与输出螺栓连接。

9.如权利要求1所述的焊接电源，其中焊接电源是一个直流电源。

10.如权利要求1所述的焊接电源，其中所述焊接电源为一个交流电源。

11.一种电弧焊接方法，包括以下步骤：

通过一个电感给一对输出端提供电流，以及给一个电焊条和一个焊件提供电流，从而构成一条焊接电流通路；

在焊接电流产生之前提供一条包括上述电感在内的起弧电流通路。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述提供起弧电流通路的步骤包括：在准备启动焊接接电流时为所述焊接电流通路提供一高频电压以及在所述高频电压形成之前关闭一个开关，使得电流通过所述电感。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述提供电流的步骤包括提供一直流电流。

14.如权利要求12所述的方法，其中所述提供电流的步骤包括一个将直流电流转换成交流电流的步骤。

15.一种用于为一电焊条和焊件提供焊接电流的焊接电源，包括：

一个包括一输出电感线圈在内的焊接电流电源；

一对与上述焊接电流电源连接的输出端口，它们可以与所述电焊条及电焊工件连接，从而构成一条包括所述电流电压、输出电感线圈、输出端口、电焊条和焊件在内的焊接电流通路；以及

一个起弧电路，其与所述输出电感线圈连接，用于在电弧发生之前使电流通过电感线圈。

16.如权利要求15所述的焊接电源，其中所述起弧电路包括一个高频耦合线圈，其位于焊接电流电路内；起弧电路与所述直流电流电源连接，其进一步包括：一个用于打开或关闭所述起弧电路的开关装置；以及一个对所述开关装置进行控制的控制装置。

17.如权利要求16所述的焊接电源，其中所述起弧电路包括一个限流装置。

18.一种焊接起弧装置，其与一个包括一输出电感和焊接电流通路的焊接电流配合使用，包括：一个起孤电路，与所述输出电感相连；所述起弧电路为电感线圈中电流的流动提供可控的电流通路，该电流通路有别于焊接电流通路。

19.如权利要求18所述的起弧装置，其中所述起弧电路包括一个起动电压电源和一个开关；所述起动电压电源位于焊接电流通路内，所述开关在焊接电流开始流动之前打开。

20.如权利要求19所述的起弧装置，其中所述开关为一个三极管。

21.如权利要求19所述的起弧装置，其中所述起弧电路包括一个限流元件。

22.如权利要求19所述的起弧装置，其中所述输出电感线圈包括一个磁芯；所述起弧电路包括一个起弧感应线圈，其与输出电感线圈共享一个磁芯。

23.如权利要求22所述的起弧装置，其中所述起弧感应线圈和输出电感线圈由同一个电感线圈的多个抽头形成。

24.如权利要求19所述的起弧装置，其中所述起动电压为一高频耦合线圈，所述起弧电路与位于焊接电源上的一对输出螺栓相连接，其进一步包括第二对螺栓，这对螺栓可以与电焊条和焊件连接。

25.如权利要求19所述的起弧装置，其中所述起弧电路位于焊接电源之内。

26.如权利要求19所述的起弧装置，其中所述焊接电源为一直流电源。

27.如权利要求19所述的起弧装置，其中所述焊接电源为一交流电源。

28.一种焊接起弧方法，包括：

当需要起弧时在焊接电流通路中提供一高电压的步骤；

在所述高频电压形成之前提供一条包括电感在内的起弧电流通路的步骤。

29.如权利要求28所述的方法，其中所述提供起弧电流的步骤包括在焊接电流发生之前关闭开关，从而使电流通过电感线圈的步骤；所述提供起动电压的步骤进一步包括提供一高频电压的步骤。

30.一种起弧装置，用于向电焊条和焊件提供一个起始焊接电流，包括：一高频耦合线圈，位于一焊接电流电路内；以及一个起弧电路，与输出电感线圈相连，用于在电弧发生之前使电流通过该电感线圈。

31.如权利要求30所述的起弧装置，其中所述起弧电路与一直流焊接电流电源连接，其进一步包括：一个开关装置，用于打开和关闭起弧电路；以及一个控制装置，用于对所述开关进行控制。

32.如权利要求31所述的起弧装置，其中所述起弧电路包括一限流装置和一高频起动电压电源。

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