CN107614179A - 电弧焊装置 - Google Patents

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Abstract

在电弧焊装置中，使用变压器（5）的一次线圈（L1）构成逆变器（1）二次侧的平滑用电抗器，并且具备：连接在相对于该一次线圈的二次线圈（L2）的两个端子间的开关元件（8）、对焊丝（12）与工件（7）间的输出电压进行检测的输出电压检测器（9）、以及对前述开关元件和逆变器一次侧电路进行控制的控制电路（10）。控制电路具备：在由前述输出电压检测器检测出的输出电压上升到第一规定电压时将前述逆变器一次侧电路关断并且将前述开关元件接通的第一控制部（10a）、以及在将前述开关元件接通之后经过规定时间后将前述逆变器一次侧电路接通并且将前述开关元件关断的第二控制部（10b）。

Description

电弧焊装置
技术领域
本发明涉及具备用于减少溅射产生量的输出电流控制装置的电弧焊装置。
背景技术
在将焊丝（welding wire）作为电极来对工件进行焊接的CO2/MAG焊接机等中，在电弧焊工艺中产生溅射。特别地，在输出电流变大的情况下，存在在金属丝（wire）顶端的熔滴从金属丝脱离的稍后产生大量的溅射的趋势。因此，自以往提出了对其进行抑制。
例如，提出了如图1所示那样将使电阻R和半导体开关元件SW并联连接的开关模块M与逆变器二次侧输出电路串联连接的电路（专利文献1）。在该电路中，进行以下的控制。
在金属丝顶端与工件相接的短路时将半导体开关元件SW接通，在输出电流增加而金属丝顶端的熔滴从金属丝脱离的电弧产生时的定时将半导体开关元件SW关断。当金属丝顶端的熔滴从金属丝脱离时在金属丝顶端与工件之间产生电弧，但是，在该电弧产生稍前的输出电流最大时，最容易产生溅射。可是，在该电路中，在该定时将半导体开关元件SW关断，因此，在该瞬间停止来自逆变器二次侧的电流供给，作为结果而能够抑制溅射产生量。再有，当将半导体开关元件SW关断时，由在电抗器L或输出电流电缆的电感中蓄积的能量引起的电流经由电阻R被供给到负载（金属丝顶端与工件间），因此，维持电弧。
当负载电流降低到固定以上时，再次将半导体开关元件接通，重复上述的工作。通过以上的工作，一边抑制溅射产生量一边能够进行电弧焊。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2014-528360号公报。
发明内容
发明要解决的课题
可是，在上述的现有例中，在输出电流的增加中（短路时），使流动来自逆变器二次侧的输出电流的半导体开关元件SW接通，因此，半导体开关元件SW接通时的损失大，电源效率差。此外，焊接电流比较大，因此，无法避免半导体开关元件SW的大型化，存在也需要其冷却部件等整体的构造复杂化的问题。
本发明的目的在于提供一种去掉与逆变器二次侧串联连接的半导体开关元件SW并且能够实现电源的效率提高、构造的简易化的电弧焊装置。
用于解决课题的方案
本发明的电弧焊装置具备：
逆变器，具备开关电路；
整流电路，连接在所述逆变器的输出侧，对所述逆变器的电流进行整流；
变压器，具备一次线圈和二次线圈，所述一次线圈连接在所述逆变器的输出侧并且对由所述整流电路整流后的整流输出进行平滑；
输出电流供给端子，通过向焊丝供给所述变压器的一次线圈的输出电流来对工件进行焊接；
开关元件，连接在所述变压器的二次线圈的两个端子间；
输出电压检测器，对所述焊丝与所述工件间的输出电压进行检测；以及
控制电路，对所述开关元件和所述逆变器的开关电路进行控制，
所述控制电路具备：
第一控制部，在由所述输出电压检测器检测出的输出电压上升到第一规定电压时，将所述逆变器的开关电路关断，并且，将所述开关元件接通；以及
第二控制部，在将所述开关元件接通之后经过规定时间后，将所述逆变器的开关电路接通，并且，将所述开关元件关断。
在本发明中，使用变压器的一次线圈构成平滑用电抗器，将连接在该变压器的二次线圈的两个端子间的开关元件在短路状态时关断，在输出电流到达最大附近的规定值时即由输出电压检测器检测出的输出电压上升到第一规定电压时接通。短路状态是指金属丝顶端与工件相接而输出电流上升的状态。当从短路状态起金属丝顶端的熔滴从金属丝脱离而在金属丝顶端与工件间产生电弧起来时成为电弧产生状态。
控制电路在由输出电压检测器检测出的输出电压上升到第一规定电压时即输出电流到达最大附近的规定值时将逆变器的开关电路关断，并且，将所述开关元件接通。此控制由第一控制部进行。此时，在逆变器的输出侧，在变压器的一次线圈中蓄积的能量的大部分被感应（换流）到二次线圈中。变成这样的理由是因为，二次线圈被短路，由此，在变压器的一次线圈中蓄积的能量被感应（换流）到二次线圈中（二次线圈的短路电路作为蓄积能量的惯性轮（flywheel）进行举动）。因此，在逆变器的输出侧流动的输出电流迅速地衰减，抑制溅射的产生。
进而，在本发明中，具备对所述二次线圈的两个端子间经由所述开关元件向降低输出电流的方向施加规定的电压的电压源。由此，通过以下的工作进一步抑制溅射的产生。
通过将所述开关元件接通，从而在变压器的一次线圈中蓄积的能量的大部分被感应（换流）到二次线圈中，但是，由于存在逆变器的二次侧的外部电感（输出电流线的电感），所以在该外部电感中蓄积的能量不会被感应（换流）到所述二次线圈中而被逆变器二次侧的负载消耗。因此，输出电流的衰减曲线的倾斜度较大地依赖于该外部电感的存在，外部电感越大，约不会成为倾斜度越陡的衰减曲线。
可是，当所述开关元件接通时，电压源将规定的电压向所述二次线圈施加。该电压被变换为由匝数比决定的电压并被感应到一次线圈中但是为降低输出电流的方向的电压。于是，基于该电压的电流将依赖于外部电感的电流抵消，输出电流的衰减曲线的倾斜度变得更陡峭。即，在逆变器二次侧流动的输出电流无论外部电感的大小都迅速地衰减。其结果是，进一步抑制溅射的产生。再有，基于所述电压源的电压的电流将依赖于外部电感的电流抵消这样的情况为在外部电感中蓄积的能量被感应（换流）到二次线圈中的情况。
控制电路在将开关元件接通之后经过规定时间后，将逆变器的开关电路接通，并且，将所述开关元件关断。此控制由第二控制部进行。规定时间通常为不足1ms的短的时间，在此期间输出电流迅速地减少。当开关元件关断时，变压器的二次线圈的短路电路作为惯性同步电路蓄积的能量再次换流到一次线圈中，此外，从逆变器的开关电路供给能量，因此，在逆变器的输出侧流动的输出电流迅速地上升。
以下，重复由上述第一控制部进行的控制和由第二控制部进行的控制来进行焊接，通过上述第一控制部的控制抑制溅射的产生。
发明效果
根据本发明，没有在金属丝顶端与工件相接的短路状态时接通的以往那样的半导体开关元件，因此，损失小而电源效率好。此外，当开关元件接通时，在变压器的一次线圈中蓄积的能量被感应（换流）到二次线圈中，因此，逆变器的输出侧的输出电流迅速地衰减而充分地抑制溅射的产生。进而，此时，在变压器的一次线圈中向降低输出电流的方向产生规定的电压，因此，在外部电感中蓄积的能量被感应（换流）到二次线圈中而能够使逆变器二次侧的输出电流进一步迅速地衰减。当之后经过规定时间开关元件再次关断时，感应（换流）到二次线圈中的能量再次被感应（换流）到一次线圈中，因此，输出电流的上升更快。
附图说明
图1是以往的电弧焊（arc welding）装置的一部分电路图。
图2是作为本发明的实施方式的电弧焊装置的一部分电路图。
图3是作为本发明的实施方式的电弧焊装置的一部分波形图。
图4是作为本发明的另一实施方式的电弧焊装置的一部分电路图。
图5是作为本发明的另一实施方式的电弧焊装置的一部分波形图。
图6是表示输出电流i（t）的数式。
图7是输出电流变化的模拟结果。
具体实施方式
图2示出作为本发明的实施方式的电弧焊装置的一部分电路图。
该电弧焊装置的电源部由将AC电源作为输入并且具备对AC电压进行开关的开关（switching）电路的逆变器（inverter）1构成。逆变器1的输出被变压器2变压，被整流二极管3、4整流，整流输出被作为平滑电抗器发挥作用的变压器5的一次线圈L1平滑。整流、平滑后的输出电流经由输出电流供给端子14a、14b被输出到焊炬（torch）6中，在送到焊炬6来的焊丝12与工件（work）7之间进行焊接。
变压器5具备一次线圈L1和二次线圈L2，匝数为n1（L1）<n2（L2）。在二次线圈L2的两个端子间连接有开关元件8。
在一次线圈L1的输出侧的接地线与焊炬6间连接有电压计9。
电压计9的电压检测端子连接于控制部10，控制部10的控制输出连接于逆变器1的PWM控制部11和开关元件8的栅极端子。控制部10具备第一控制部10a和第二控制部10b。
接着，参照图3来说明电弧焊装置的工作。
当电源接通时，PWM控制部11向逆变器1内的由4个开关半导体元件构成的开关电路供给PWM脉冲来开始逆变器1的工作。逆变器输出被变压器2变压，被整流二极管3、4整流，进而被变压器5的一次线圈L1平滑而向焊炬6输出。再有，在图2中，将一次线圈L1连接于变压器2的中点抽头，但是，连接于整流二极管3、4的输出侧也可。当输出电流逐渐上升且到达定时t1时，PWM控制部11关断，并且，开关元件8接通。
以上的控制由控制部10进行。在控制部10连接有电压计9，当电压计9的电压检测值陡峭地上升到接近Va的值（第一规定电压）时，将此时作为输出电流到达最大附近的规定值的定时t1，将用于关断PWM控制部11的信号向PWM控制部11输出，并且，将开关元件8接通。此控制由控制部10的第一控制部10a进行。
此时，在逆变器二次侧，在变压器5的一次线圈L1中蓄积的能量的大部分被感应（换流）到二次线圈L2中。变成这样的理由是因为，二次线圈L2被短路，由此，二次线圈的短路电路作为蓄积能量的惯性同步电路（flywheel circuit）进行举动，在变压器的一次线圈L1中蓄积的能量被感应（换流）到二次线圈L2中。因此，在逆变器二次侧流动的输出电流迅速地衰减，抑制溅射（sputter）的产生。在图3中，从t1起的输出电流变化S1为进行上述控制时的输出电流变化，输出电流变化S2表示假设在定时t1时仅将PWM控制部11关断而未将开关元件8接通的情况下的输出电流变化。S2与S1相比电流减少缓和，因此，不能充分地抑制溅射的产生，但是，S1的电流减少陡峭，因此，能够充分地抑制溅射的产生。
当经过预先确定的规定时间T（不足1ms）而到达定时t2时，控制部10将用于接通PWM控制部11的信号向PWM控制部11输出，并且，使开关元件8关断。此控制由控制部10的第二控制单元10b进行。此时，在逆变器二次侧，感应（换流）到变压器5的二次线圈L2中后的能量被再次感应（换流）到原本的一次线圈L1中。变成这样是因为，开关元件8关断，由此，变压器5的二次线圈L2被断开（在上述惯性同步电路中蓄积的能量被再次感应到一次线圈L1中）。此时，从二次线圈L2返回到一次线圈L1中的能量作为输出电流被有效地消耗，因此，在逆变器二次侧流动的输出电流迅速地上升。
重复进行以上的工作，由此，一边抑制溅射产生一边进行焊接。
在以上的实施方式中，关于变压器5的二次线圈L2的匝数n2，从使在开关元件8中流动的电流小的观点出发，优选的是，设定为一次线圈L1的匝数n1的几倍。例如，设为n1∶n2=1∶5左右。在n1∶n2=1∶5的情况下，在开关元件8接通的规定时间T在开关元件8中流动的电流在开关元件8关断时减少为在一次线圈L1中流动的电流的5分之1。通过像这样适当地选择匝数比，从而能够由额定电流小的元件构成开关元件8。
作为另一实施方式，也能够基于电压计9的检测电压值来设定定时t2。如由图3可知那样，输出电压在t1急剧上升，逐渐降低。因此，能够将该电压降低为预先确定的第二规定电压Vb时设定为定时t2。但是，电弧状态不稳定，因此，第二规定电压Vb也不稳定。因此，定时t2设为从定时t1起经过规定时间T时更优选。
如以上那样，在上述电弧焊装置中，在逆变器二次侧连接有将平滑电抗器作为一次线圈的变压器，在该变压器的二次线圈的两个端子间连接有开关元件，在规定的定时对该开关元件进行接通关断控制，由此，能够抑制溅射的产生，并且，由于开关元件仅在电弧产生时接通，所以能够使损失变小。
图4示出作为本发明的另一实施方式的电弧焊装置的一部分电路图。对与图2相同部分标注相同附图标记。
该电弧焊装置的电源部由将AC电源作为输入的逆变器1构成。逆变器1的输出被变压器2变压，被整流二极管3、4整流，整流输出被作为平滑电抗器发挥作用的变压器5的一次线圈L1平滑。整流、平滑后的输出电流经由输出电流供给端子14a、14b被输出到焊炬6中，在送到焊炬6来的焊丝12与工件7之间进行焊接。
变压器5具备一次线圈L1和二次线圈L2，匝数为n1（L1）<n2（L2）。在二次线圈L2的两个端子间连接有开关元件8。产生DC电压E的电压源13连接于开关元件8。电压源E的极性的连接方向为在前述开关元件8接通时降低输出电流的方向。
在一次线圈L1的输出侧的接地线与焊炬6间连接有电压计9。
电压计9的电压检测端子连接于控制部10，控制部10的控制输出连接于逆变器1的PWM控制部11和开关元件8的栅极端子。控制部10具备第一控制部10a和第二控制部10b。
接着，参照图5来说明电弧焊装置的工作。
当电源接通时，PWM控制部11向逆变器1内的由4个开关半导体元件构成的开关电路供给PWM脉冲来开始逆变器1的工作。逆变器输出被变压器2变压，被整流二极管3、4整流，进而被变压器5的一次线圈L1平滑而向焊炬6输出。再有，在图4中，将一次线圈L1连接于变压器2的中点抽头，但是，连接于整流二极管3、4的输出侧也可。当输出电流逐渐上升且到达定时t1时，PWM控制部11关断，并且，开关元件8接通。
以上的控制由控制部10进行。在控制部10连接有电压计9，当电压计9的电压检测值陡峭地上升到接近Va的值（第一规定电压）时，将此时作为输出电流到达最大附近的规定值的定时t1，将用于关断PWM控制部11的信号向PWM控制部11输出，并且，将开关元件8接通。此控制由控制部10的第一控制部10a进行。
此时，在逆变器二次侧，在变压器5的一次线圈L1中蓄积的能量的大部分被感应（换流）到二次线圈L2中。变成这样的理由是因为，二次线圈L2被短路，由此，二次线圈的短路电路作为蓄积能量的惯性同步电路进行举动，在变压器的一次线圈L1中蓄积的能量被感应（换流）到二次线圈L2中。因此，在逆变器二次侧流动的输出电流迅速地衰减，抑制溅射的产生。
进而，通过将前述开关元件8接通，从而电压源13将规定的DC电压E向二次线圈L2施加。该电压被变换为由匝数比决定的电压并被感应到一次线圈L1中但是为降低输出电流的方向的电压。于是，基于该电压的电流将依赖于在外部电感中蓄积的能量的电流抵消，输出电流的衰减曲线的倾斜度变得更陡峭。即，在逆变器二次侧流动的输出电流无论外部电感的大小都迅速地衰减。其结果是，进一步抑制溅射的产生。再有，基于前述电压源的电压的电流将依赖于在外部电感中蓄积的能量的电流抵消这样的情况等效为在外部电感中蓄积的能量被感应（换流）到二次线圈L2中的情况。
当经过预先确定的规定时间T（不足1ms）而到达定时t2时，控制部10将用于接通PWM控制部11的信号向PWM控制部11输出，并且，使开关元件8关断。此时，在逆变器二次侧，感应（换流）到变压器5的二次线圈L2中后的能量被再次感应（换流）到原本的一次线圈L1中。变成这样是因为，开关元件8关断，由此，变压器5的二次线圈L2被断开（在上述惯性同步电路中蓄积的能量被再次感应到一次线圈L1中）。此时，从二次线圈L2返回到一次线圈L1中的能量作为输出电流被有效地消耗，因此，在逆变器二次侧流动的输出电流迅速地上升。在图5中，示出了输出电流变化S1根据以上的工作发生变化的电流衰减曲线。
重复进行以上的工作，由此，一边抑制溅射产生一边进行焊接。
为了参考，对改变电路结构后的比较例进行说明。
在图5中，输出电流变化S2（比较例1）表示未将开关元件8和电压源13与变压器5的二次线圈L2连接并且在定时t1仅将PWM控制部11关断的情况下的输出电流变化。在该比较例1中，输出电流基于在变压器5的二次线圈L2的电感L1和外部电感L中蓄积的能量而衰减，因此，S2与S1相比，电流减少缓和，因此，不能充分地抑制溅射的产生。
此外，输出电流变化S3（比较例2）表示将开关元件8与变压器5的二次线圈L2连接且不将电压源13与变压器5的二次线圈L2连接并且在定时t1将PWM控制部11关断且将开关元件8接通的情况下的输出电流变化。在该比较例2中，变压器5的二次线圈L1的能量感应（换流）到二次线圈L2中，因此，输出电流仅基于在外部电感L中蓄积的能量而衰减。因此，S3与S2相比，衰减曲线变得陡峭，能够充分地抑制溅射的产生。可是，衰减曲线比本实施方式的S1缓和。
关于本实施方式的输出电流变化S1以及比较例1、2的输出电流变化S2、S3，使用数式表示输出电流i（t）为图6。
在图6中，各式中的附图标记如下述。
T-从定时t1起的经过时间
i（0）-定时t1的输出电流
i（t）-从定时t1起T时间后的输出电流
L1-变压器5的一次线圈L1的电感
L-外部电感
R-输出阻抗
VF-整流电路的二极管3、4的正向下降电压
n1-变压器5的一次线圈L1的匝数
n2-变压器5的二次线圈L2的匝数
E-电压源13的DC电压
V1-利用电压源E的变压器5的一次线圈L1的感应电压
（式1）
为表示将开关元件8和电压源13与变压器5的二次线圈L2连接的本实施方式的输出电流变化S1的式子。在定时t1，PWM关断，开关元件8接通。
右边的第二项表示由电感分量造成的输出电流的减少。该第二项的指数函数系数为将在定时t1从变压器2的一次侧供给的电流的初始值即i（0）和从电压源13供给的电流的初始值即（V1-VF）/R相加后的值。通过对i（0）加上（V1-VF）/R，从而指数函数的衰减曲线变得更陡峭。右边的第一项表示根据直流分量的输出阻抗R的电流。该电流相对于根据右边的第二项的电流为反方向，因此，符号为负。因此，在t=t1（T=0）时，为i（t）=i（0），之后，输出电流的衰减曲线变得陡峭。
（式2）
为表示将开关元件8和电压源13都未与变压器5的二次线圈L2连接的比较例1的输出电流变化S2的式子。在定时t1，PWM关断。
右边表示指数函数的衰减曲线来作为初始值i（0）。此时的电感分量为变压器5的一次线圈L1的电感和外部电感L。因此，输出电流的衰减曲线缓和。
（式3）
为表示将开关元件8与变压器5的二次线圈L2连接且不将电压源13与变压器5的二次线圈L2连接的比较例2的输出电流变化S3的式子。在定时t1，PWM关断，开关元件8接通。
右边表示指数函数的衰减曲线来作为初始值i（0）。此时的电感分量仅为外部电感L。因此，输出电流的衰减曲线变得陡峭。可是，比式1缓和。
图7示出输出电流变化S1~S3的模拟波形。如图示那样，S1最陡峭，因此，溅射产生抑制效果最高。再有，由于整流二极管3、4，电流不会成为负。
在以上的实施方式中，关于变压器5的二次线圈L2的匝数n2，从使在开关元件8中流动的电流小的观点出发，优选的是，设定为一次线圈L1的匝数n1的几倍。例如，设为n1∶n2=1∶5左右。在n1∶n2=1∶5的情况下，在开关元件8接通的规定时间T在开关元件8中流动的电流在开关元件8关断时减少为在一次线圈L1中流动的电流的5分之1。通过像这样适当地选择匝数比，从而能够由额定电流小的元件构成开关元件8。
作为另一实施方式，也能够基于电压计9的检测电压值来设定定时t2。如由图5可知那样，输出电压在t1急剧上升，逐渐降低。因此，能够将该电压降低为预先确定的第二规定电压Vb时设定为定时t2。但是，电弧状态不稳定，因此，第二规定电压Vb也不稳定。因此，定时t2设为从定时t1起经过规定时间T时更优选。
如由上述式1可知那样，能够根据电压源13的电压的大小改变输出电流变化S1的衰减曲线，但是，如果使上述电压过于高而使衰减曲线陡峭到需要以上，则存在引起电弧的熄灭的可能性。因此，为了设定电弧的稳定化和溅射产生的抑制用的最佳的电压，优选的是能够使该电压可变。
如以上那样，在上述电弧焊装置中，在逆变器二次侧连接有将平滑电抗器作为一次线圈的变压器，在该变压器的二次线圈的两个端子间连接有开关元件。进而，连接有对二次线圈的两个端子间经由前述开关元件向降低输出电流的方向施加规定的电压的电压源。在规定的定时对该开关元件进行接通关断控制，由此，能够抑制溅射的产生，并且，由于开关元件仅在电弧产生时接通，所以能够使损失变小。
附图标记的说明
1-逆变器
5-变压器
6-焊炬
7-工件
8-开关元件
10-控制部
13-电压源。

Claims (5)

1.一种电弧焊装置，其中，具备：
逆变器，具备开关电路；
整流电路，连接在所述逆变器的输出侧，对所述逆变器的输出进行整流；
变压器，具备一次线圈和二次线圈，所述一次线圈连接在所述逆变器的输出侧并且对由所述整流电路整流后的整流输出进行平滑；
输出电流供给端子，通过向焊丝供给所述变压器的一次线圈的输出电流来对工件进行焊接；
开关元件，连接在所述变压器的二次线圈的两个端子间；
输出电压检测器，对所述焊丝与所述工件间的输出电压进行检测；以及
控制电路，对所述开关元件和所述逆变器的开关电路进行控制，
所述控制电路具备：
第一控制部，在由所述输出电压检测器检测出的输出电压上升到第一规定电压时，将所述逆变器的开关电路关断，并且，将所述开关元件接通；以及
第二控制部，在将所述开关元件接通之后经过规定时间后，将所述逆变器的开关电路接通，并且，将所述开关元件关断。
2.根据权利要求1所述的电弧焊装置，其中，还具备对所述二次线圈的两个端子间经由所述开关元件向降低所述输出电流的方向施加规定的电压的电压源。
3.根据权利要求1或2所述的电弧焊装置，其中，所述一次线圈与所述二次线圈的线圈比为n∶1，其中，n为2以上。
4.根据权利要求1~3的任一项所述的电弧焊装置，其中，所述控制电路将从接通所述开关元件时到由所述输出电压检测器检测出的输出电压降低到第二规定电压时的时间判定为所述规定时间。
5.根据权利要求2所述的电弧焊装置，其中，所述电压源的电压源为可变电压源。
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