CN111001902B - 焊接控制电路及交流焊接电源 - Google Patents

焊接控制电路及交流焊接电源 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种焊接控制电路及交流焊接电源，该焊接控制电路适用于消耗电极式的交流焊接电源，其包括输入主电路、逆变电路、电流切换组件以及续流阻断组件。电流切换组件连接于输入主电路以调整逆变电路的输出电流，电流切换组件被配置为至少具有第一工作状态和第二工作状态；在短路期间内，当检测到的电参数表征液桥即将断开时，电流切换组件从第一工作状态切换到第二工作状态以降低逆变电路的输出电流。续流阻断组件连接于逆变电路上的四个IGBT管，在电流切换组件位于第二工作状态时阻断四个IGBT管的续流回路。

Description

焊接控制电路及交流焊接电源
技术领域
本发明涉及焊接领域，且特别涉及一种焊接控制电路及交流焊接电源。
背景技术
熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)是一种采用可熔化的焊丝作为电极，以连续送进的焊丝与被焊工件之间燃烧的电弧作为热源来熔化焊丝与母材金属的焊接方法，是一种消耗电极式的焊接方法。焊接过程中，保护气体通过焊枪喷嘴连续输送到焊接区，使电弧、熔池及其附近的母材金属免受周围空气的有害作用。焊丝不断熔化应以熔滴形式过渡到焊池中，与熔化的母材金属熔合、冷凝后形成焊缝金属。
在消耗电极式的焊接方法中电源跨接在电极（焊丝）和工件之间，当电弧产生时，电极的端部融化形成悬挂在电极上的熔滴，随着焊接电流的不断增大，熔滴不断的变大并与工件上的熔池相接触形成短路。此时，电极和工件之间的电压迅速下降，焊接电流迅速增加。快速增加的大电流使得熔滴的颈部快速变成一个非常小的截面（缩颈现象），液桥断开，熔滴从电极上分离。由于此时的焊接电流很大，巨大的能量通颈部的断开进行释放，从而产生大量的飞溅且飞溅的距离非常的远。大量的飞溅不仅影响焊接效率，且焊接后工件表面的溅洒很难清理。
发明内容
本发明为了克服现有消耗电极式的焊接熔滴飞溅现象严重的问题，提供一种能大大减小熔滴飞溅的焊接控制电路及焊接电源。
为了实现上述目的，本发明提供一种焊接控制电路，该焊接控制电路适用于消耗电极式的交流焊接电源，其包括输入主电路、逆变电路、电流切换组件以及续流阻断组件。电流切换组件连接于输入主电路以调整逆变电路的输出电流，电流切换组件被配置为至少具有第一工作状态和第二工作状态；在短路期间内，当检测到的电参数表征液桥即将断开时，电流切换组件从第一工作状态切换到第二工作状态以降低逆变电路的输出电流。续流阻断组件连接于逆变电路上的四个IGBT管，在电流切换组件位于第二工作状态时阻断四个IGBT管的续流回路。
根据本发明的一实施例，焊接控制电路还包括电性连接电流切换组件的检测组件，检测组件检测短路期间内焊接电流的微分或工作电压的微分，液桥即将断开前的电参数为：
焊接电流的微分从正转换为负时；或者
工作电压的微分超过预定值时。
根据本发明的一实施例，电流切换组件包括：
串联连接于输入主电路上的二次开关，二次开关导通状态为第一工作状态，断开状态为第二工作状态；以及
串联连接于输入主电路上且与二次开关并联的电流调整组件。
根据本发明的一实施例，电流调整组件为并联于二次开关两端的电阻，当二次开关工作于断开状态时，电阻降低逆变电路的输出电流。
根据本发明的一实施例，续流阻断组件包括四个二极管，四个二极管分别与逆变电路上的四个IGBT管上的续流二极管反向串联。
根据本发明的一实施例，焊接控制电路还包括一辅助电路，辅助电路连接于逆变电路的输入侧，辅助电路包括一用于减小焊接电流基值阶段纹波的储能电感，辅助电路上的电流小于输入主电路上的平均电流。
根据本发明的一实施例，辅助电路的输入端连接于输入主电路上的副边变压器，输出端连接于逆变电路的输入侧，辅助电路还包括串联连接在副边变压器和储能电感之间的整流元件和辅助限流元件。
根据本发明的一实施例，辅助限流元件为一限流电阻或电抗器。
根据本发明的一实施例，辅助电路包括一与储能电感相连接的恒流源，恒流源为辅助电路提供一小于输入主电路上的平均电流的辅助电流。
另一方面，本发明还提供一种交流焊接电源，其包括上述任一项的焊接控制电路。
综上所述，本发明提供的焊接控制电路及交流焊接电源中串联连接于输入主电路内的电流切换组件可在短路期间内根据液桥的状态来切换工作状态以改变逆变电路输出电流。在进入短路期间时，电流切换组件位于第一工作状态，逆变电路输出一大电流以熔化电极产生熔滴。随着熔滴的不断变大，熔滴与工件上的熔池相接触形成短路状态，焊接电流迅速增大，熔滴开始缩颈并即将熔断。此时，电流切换组件迅速切换至第二工作状态，迅速降低逆变电路的输出电流，该电流促使液桥断裂，熔滴从电极上分离；而迅速降低的焊接电流则大大减小了液桥熔断时的能量，从而有效地抑制熔断时产生的飞溅，大大减小焊接后工件上的溅洒。本发明提供的焊接控制电路中，电流切换组件的第一工作状态为短路期间内熔滴的形成和缩颈提供了条件；而第二工作状态的设置则大大降低了液桥断裂时的能量，从而达到减小飞溅的目的。
此外，焊接控制电路还包括一连接于逆变电路输入侧的辅助电路，辅助电路在增加焊接电流在基值阶段时的电感量以降低基值阶段的纹波，使得焊接电流在基值阶段能维持稳定，避免断弧；同时该辅助电路并不影响输入主电路上流经大电流时的电感量，确保焊接电流的上升斜率和下降斜率满足要求。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1所示为本发明一实施例提供的焊接控制电路的原理框图。
图2所示为本发明实施例一提供的焊接控制电路的原理图。
图3所示为本发明另一实施例提供的焊接控制电路的原理图。
图4所示为液桥即将熔断时的检测电路的原理图。
图5A所示为本发明另一实施例提供的焊接控制电路的原理图。
图5B所示为本发明另一实施例提供的焊接控制电路的原理图。
图6所示为本发明实施例二提供的焊接控制电路的原理图。
具体实施方式
实施例一
在现有的消耗电极式的焊接设备中，电极与工件相接触时产生短路，此时电压降低，而电流则迅速增大。巨大的焊接电流使得液桥熔断时产生大量的飞溅。有鉴于此，本实施例提供一种能大幅度抑制液桥熔断时的产生的飞溅的焊接控制电路。
如图1所示，本实施例提供的焊接控制电路包括输入主电路10、逆变电路20、电流切换组件30以及续流阻断组件40。电流切换组件30连接于输入主电路10以调整逆变电路20的输出电流，电流切换组件30被配置为至少具有第一工作状态和第二工作状态；在短路期间内，当检测到的电参数表征液桥即将断开时，电流切换组件30从第一工作状态切换到第二工作状态以降低逆变电路20的输出电流。续流阻断组件40连接于逆变电路上的四个IGBT管Q1，Q2，Q3，Q4，在电流切换组件30位于第二工作状态时阻断四个IGBT管的续流回路。
于本实施例中，如图2所示，电流切换组件30包括串联连接于输入主电路10上的二次开关K和串联连接于输入主电路10上且与二次开关K并联的电流调整组件31。二次开关K导通状态为第一工作状态，断开状态为第二工作状态。即电流切换组件30被配置为只具有第一工作状态和第二工作状态。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，电流切换组件也可具有多个工作状态以实现逆变电路上多种焊接电流的输出，从而满足不同焊接阶段上焊接电流的需求。
本实施例对于第一工作状态下的电流值和第二工作状态下的电流值的具体数值不作任何限定。对于第一工作状态下的电流而言，其可根据电极材料选取现有的短路型焊接控制电路方法中的焊接电流。对于第二工作状态下的电流而言，其在满足熔断液桥这一前提条件下，尽可能地小以提高防飞溅的效果。
消耗电极式的交流焊接中，在金属转移阶段初期要求焊接电流具有一较大值以熔化电极形成熔滴。随着熔滴的不断增大，熔滴与工件上的熔池相接触形成短路；此时，仍然需要焊接电流保持较大值以使熔滴发生缩颈，为后续的液桥断开提供条件。而在液桥断开时为减小飞溅需要满足：①降低熔断时的能量；②由于液桥断开的时间非常的短，能量的降低要非常的迅速。
本实施例提供的焊接控制电路中，在液桥断开之前二次开关K处于导通状态，为焊丝提供大的焊接电流。而一旦检测到表征液桥即将断开时二次开关K处于断开状态，副边变压器T经电流调整组件31输出至逆变电路20，逆变电路20上输出的电流跟随电流调整组件31的接入而降低。
在交流焊接电源中，逆变电路20是由四个IGBT管Q1，Q2，Q3，Q4组成。第一IGBT管Q1和第三IGBT管Q3组成第一导通臂，而第二IGBT管Q2和第四IGBT管Q4组成第二导通臂；两组导通臂交替导通。由于每个IGBT管上均具有寄生的续流二极管，当第一导通臂导通且二次开关K断开时，逆变电路20上的输出电流会在以下回路进行续流：
续流回路①：正极输出端OUT1→负极输出端OUT2→第三IGBT管Q3→第四IGBT管Q4上的续流二极管DQ4→正极输出端OUT1；
续流回路②：正极输出端OUT1→负极输出端OUT2→第二IGBT管Q2上的续流二极管DQ2→第一IGBT管Q1→正极输出端OUT1。
同样的，当第二导通臂导通时第一IGBT管Q1上的续流二极管DQ1和第三IGBT管Q3上的续流二极管DQ3也提供了两条续流回路。
续流回路①和续流回路②的存在使得尽管高阻抗的电流调整组件31接入，逆变电路20的输出电流也无法快速的降低。为解决这一问题，本实施例提供的焊接控制电路中，在逆变电路20上增加了阻断上述续流回路的续流阻断组件40。具体而言，如图2所示，续流阻断组件40包括分别与四个IGBT管上的续流二极管反向串联的续流阻断二级管D1，D2，D3，D4。每个续流阻断二极管与其对应的IGBT管的导通方向一致，因此其不会影响逆变电路的特性；而与IGBT管上寄生的续流二极管反向则很好的阻断了续流。具体而言，当第一导通臂导通且二次开关K断开时：
续流回路①：正极输出端OUT1→负极输出端OUT2→第三IGBT管Q3→D3→D4，由于D4处于反向状态，续流被阻断。
续流回路②：正极输出端OUT1→负极输出端OUT2→第二IGBT管Q2上的续流二极管DQ2→D2，由于D2处于反向状态，续流被阻断。
逆变电路20上续流回路的阻断使得在二次开关K关断时，逆变电路20的输出电流跟随高阻抗的电流调整组件31快速降低。正如前文所述液桥断裂时焊接电流的能量在抑制溅洒的同时要能熔断液桥的颈部。为实现一目的，于本实施例中，可通过设置电流调整组件31的阻抗来使得焊接电流以一定的速度下降。于本实施例中，电流调整组件31为并联连接于二次开关K两端的电阻，在二次开关K断开时，电阻接入输入主电路10内，该电阻以一定的速率降低逆变电路20的输出电流。然而，本发明对电流调整组件的具体结构不作任何限定。于其它实施例中，电流调整组件还可包括并联于电阻两端的电容和缓冲二极管。或者于其它实施例中，还可设置电流调整组件的结构以使其满足焊接电流变速下降，如在其接入输入主电路的初期，逆变电路的输出电流以一定速率下降，之后则快速下降等。
于本实施例中，如图2所示，四个续流阻断二级管D1，D2，D3，D4分别连接于输入主电路10和对应的IGBT管之间。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，如图3所示，四个续流阻断二级管D1，D2，D3，D4分别连接于逆变电路20的输出端和对应的IGBT管之间。
本实施例提供的焊接控制电路中，电流切换组件30的接入是基于检测组件60检测到的电参数表征液桥即将断开这一条件。通过分析液桥的状态与焊接电流和工作电压的关系发现：在短路期间内，熔滴与工件上的熔池接触后焊接电流迅速增加，而工作电压则下降到一很低的电压值，随着熔滴缩颈现象的出现，焊接电流仍然继续增加，而工作电压也一直维持在低电压值或者是缓慢的增加。而当液桥即将断开时，焊接电流开始下降，而工作电压则开始迅速上升。因此，可通过检测焊接电流和工作电压的微分来判断液桥的状态。即当焊接电流的微分从正转换为负时；或者工作电压的微分超过预定值时则判定液桥即将断开，电流切换组件30则根据这一检测信号切换至第二工作状态。
于本实施例中，以检测组件60检测电流的微分值来作为判断条件，其具体电路如图4所示，微分电路100接收电流传感器检测到的电极上的焊接电流，经微分计算后输出至微分放大器200进行信号放大。经微分放大器200放大后的输出值比较器300与参照电流进行比较，比较结果将控制本实施例中作为电流切换组件30的二次开关K。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，也可通过检测电极上的工作电压来作为液桥即将断开的判断条件。
在消耗电极式的交流焊接中，焊接电流波形被设计成脉冲形状。为保证脉冲特性明显，脉冲焊接电流峰值需要保持在相对大的幅值，其作用是熔化焊丝，并促进熔滴过渡。脉冲焊接电流基值则需保持在相对低的幅值，其作用是预热焊丝，并维持电弧发生。焊接电流在基值与峰值之间反复快速切换。如果脉冲参数选择恰当，焊接过程将保持稳定，熔滴将呈现滴状过渡特征，实现一脉一滴。在实现脉冲焊接电流波形时，为了保证一定的电流上升斜率和电流下降斜率，往往在输出端串联感量较小的电感，但电感量太小首先会造成电流的纹波较大，其次容易受到外界干扰影响。在焊接脉冲基值电流较小时，以上两种情况都会导致电弧熄灭的概率增大。
为解决这一问题，于本实施例中，如图1所示，焊接控制电路还包括一辅助电路50，辅助电路50连接于逆变电路20的输入侧，辅助电路50包括一用于减小焊接电流基值阶段纹波的储能电感L1，辅助电路50上的电流小于输入主电路10上的平均电流。
辅助电路50的设置使得在大电流的峰值焊接期间，大部分的焊接电流经低阻抗的焊接主电路10输出至逆变电路20，辅助回路50上流经很小的电流，该小电流在储能电感L1上产生的电感量很小，其对流经大电流的输入主电路10上的电感量影响很小，焊接脉冲保证具有一定的电流上升斜率和电流下降斜率，从而实现一脉一滴的性能。当在脉冲焊接电流处于基值时，输入主电路10上的电流下降，对应的其上的电感量也将下降，此时辅助电路50上的储能电感L1增大了基值阶段下整个控制电路的电感量，从而大大减小了基值电流的纹波，降低基值阶段下电弧熄灭的概率，提高电弧的稳定性。
相比传统的在输入主电路上增加大体积的电感以减小基值电流纹波的方案，辅助电路50的设置在减小基值电流纹波的同时确保输入主电路10上的电感量很小，其不仅不会对焊接脉冲的上升和下降斜率造成影响；且由于电感量小，输入主电路10上设置的电感的体积可以做到很小，大大减小输入主电路10的体积。
如图2所示，辅助电路50的输入端连接于输入主电路10上的副边变压器T，输出端连接于逆变电路20的输入侧，辅助电路50还包括串联连接在副边变压器T和储能电感L1之间的整流元件51和辅助限流元件52。辅助限流元件52限制辅助电路50上流经的电流，确保在脉冲焊接期间，辅助电路50上流经一小于输入主电路10上的平均电流的小电流。如图2所示，所述整流元件51为由整流二极管D10，D20组成的半波整流器，辅助限流元件52则为一电抗器L2。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，如图5A所示，整流元件可为由四个整流二极管所组成的全桥整流器。或者如图5B所示，辅助限流元件可为辅助限流电阻。
与上述焊接控制电路相对应的，本实施例还提供一包含上述焊接控制电路的交流焊接电源。
实施例二
本实施例与实施例一及其变化基本相同，区别在于：如图6所示，辅助电路50包括一与储能电感L1相连接的恒流源53，恒流源53为辅助电路提供一小于输入主电路10上的平均电流的辅助电流。
同样的，恒流源53的设置使得在非脉冲基值期间辅助回路50上的流经一小电流，该小电流在储能电感L1上产生的电感量不会影响焊接电流脉冲的特性。而在脉冲基值期间，该小电流在储能电感L1上产生的电感量则有效地降低了基值电流的纹波。
综上所述，本发明提供的焊接控制电路及交流焊接电源中串联连接于输入主电路内的电流切换组件可在短路期间内根据液桥的状态来切换工作状态以改变逆变电路输出电流。在进入短路期间时，电流切换组件位于第一工作状态，逆变电路输出一大电流以熔化电极产生熔滴。随着熔滴的不断变大，熔滴与工件上的熔池相接触形成短路状态，焊接电流迅速增大，熔滴开始缩颈并即将熔断。此时，电流切换组件迅速切换至第二工作状态，迅速降低逆变电路的输出电流，该电流促使液桥断裂，熔滴从电极上分离；而迅速降低的焊接电流则大大减小了液桥熔断时的能量，从而有效地抑制熔断时产生的飞溅，大大减小焊接后工件上的溅洒。本发明提供的焊接控制电路中，电流切换组件的第一工作状态为短路期间内熔滴的形成和缩颈提供了条件；而第二工作状态的设置则大大降低了液桥断裂时的能量，从而达到减小飞溅的目的。
此外，焊接控制电路还包括一连接于逆变电路输入侧的辅助电路，辅助电路在增加焊接电流在基值阶段时的电感量以降低基值阶段的纹波，使得焊接电流在基值阶段能维持稳定，避免断弧；同时该辅助电路并不影响输入主电路上流经大电流时的电感量，确保焊接电流的上升斜率和下降斜率满足要求。
虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟知此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。

Claims (10)

1.一种焊接控制电路，其特征在于，适用于消耗电极式的交流焊接电源，所述焊接控制电路包括:
输入主电路和逆变电路；
电流切换组件，连接于输入主电路以调整逆变电路的输出电流，所述电流切换组件被配置为至少具有第一工作状态和第二工作状态；在短路期间内，当检测到的电参数表征液桥即将断开时，电流切换组件从第一工作状态切换到第二工作状态以降低逆变电路的输出电流；以及
续流阻断组件，其连接于逆变电路上的四个IGBT管，在电流切换组件位于第二工作状态时阻断四个IGBT管的续流回路。
2.根据权利要求1所述的焊接控制电路，其特征在于，所述焊接控制电路还包括电性连接电流切换组件的检测组件，所述检测组件检测短路期间内焊接电流的微分或工作电压的微分，液桥即将断开前的电参数为：
焊接电流的微分从正转换为负时；或者
工作电压的微分超过预定值时。
3.根据权利要求1所述的焊接控制电路，其特征在于，所述电流切换组件包括：
串联连接于输入主电路上的二次开关，二次开关导通状态为第一工作状态，断开状态为第二工作状态；以及
串联连接于输入主电路上且与二次开关并联的电流调整组件。
4.根据权利要求3所述的焊接控制电路，其特征在于，所述电流调整组件为并联于二次开关两端的电阻，当二次开关工作于断开状态时，所述电阻降低逆变电路的输出电流。
5.根据权利要求1所述的焊接控制电路，其特征在于，所述续流阻断组件包括四个二极管，四个二极管分别与逆变电路上的四个IGBT管上的续流二极管反向串联。
6.根据权利要求1所述的焊接控制电路，其特征在于，所述焊接控制电路还包括一辅助电路，所述辅助电路连接于逆变电路的输入侧，所述辅助电路包括一用于减小焊接电流基值阶段纹波的储能电感，辅助电路上的电流小于输入主电路上的平均电流。
7.根据权利要求6所述的焊接控制电路，其特征在于，所述辅助电路的输入端连接于输入主电路上的副边变压器，输出端连接于逆变电路的输入侧，所述辅助电路还包括串联连接在副边变压器和储能电感之间的整流元件和辅助限流元件。
8.根据权利要求7所述的焊接控制电路，其特征在于，所述辅助限流元件为一限流电阻或电抗器。
9.根据权利要求6所述的焊接控制电路，其特征在于，所述辅助电路包括一与储能电感相连接的恒流源，所述恒流源为辅助电路提供一小于输入主电路上的平均电流的辅助电流。
10.一种交流焊接电源，其特征在于，包括权利要求1~9任一项所述的焊接控制电路。
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