CN111344097B - 电弧的无接触点火方法和用于执行点火工艺的焊接电流源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对电极(3)与待焊接工件(4)之间的电弧(L)进行无接触点火以执行焊接工艺的方法，其中在焊接电流源(1)的输出(2)处提供焊接电流(I)和焊接电压(U)，其中所述焊接电流源(1)包含用于生成周期性变化的、优选基本上锯齿形状的开路焊接电压(U_LL)的谐振变换器(5)，所述开路焊接电压(U_LL)具有以重复速率(f_w)周期性出现的电压最大值(U_LL，max)，还涉及用于执行点火工艺的焊接电流源(1)。为了实现对电弧(L)的可靠无接触点火而无需复杂电路，谐振变换器(5)由串并联谐振变换器构成，并且时间上同步的高频脉冲(U_I，HF)在开路焊接电压(U_LL)的至少一些周期性出现的电压最大值(U_LL，max)的区域中，被叠加在开路焊接电压(U_LL)上。

Description

电弧的无接触点火方法和用于执行点火工艺的焊接电流源

技术领域

本发明涉及一种用于电极和待焊接工件之间的电弧的无接触点火以用于执行焊接工艺的方法，其中在焊接电流源的输出处提供了焊接电流和焊接电压，其中该焊接电流源包含用于生成周期性变化的、优选基本上锯齿形状的开路焊接电压的谐振变换器，其中该开路焊接电压的电压最大值以重复速率周期性出现。

本发明还涉及一种焊接电流源，用于在输出处提供焊接电流和焊接电压以利用电极和待焊接工件之间的电弧执行焊接工艺，该焊接电流源具有用于生成周期性变化的、优选基本上锯齿形状的开路焊接电压的谐振变换器，其中该开路焊接电压的电压最大值以重复速率周期性出现。

本发明涉及一种点火工艺和用于执行焊接技术的点火工艺的焊接电流源，该焊接技术可以涉及利用熔化电极的焊接，诸如MIG(金属惰性气体)或MAG(金属活性气体)焊接工艺，以及利用非熔化电极的焊接工艺，诸如TIG(钨极惰性气体)焊接。

背景技术

对于电极和待焊接工件之间的焊接工艺所需的电弧的无接触点火，高电压是有益的。然而，出于安全原因，在焊接电流源输出处的最大允许连续开路焊接电压通常是受标准限制的。

因此，鼓励设计焊接电流源，从而一方面满足安全规程，另一方面确保电弧的安全点火。为了达到这一目的，可以采用不同的方法，其中一些方法会产生很大的电路复杂性，这不仅会增加焊接电流源的成本，而且还会增加装配的尺寸，因为用于改善点火性能的电路会占据焊接电流源相当大的一部分。

例如，在现有技术的焊接电流源中，为了提高输出电压以及支持对电弧的点火，会使用辅助电压源。

因此，例如，根据WO 2005/051585A1或US 5,117,088A，对于无接触点火，已知将高频脉冲叠加在焊接电压上。

文档US 2014/0251968 A1描述了一种具有高频点火的焊接系统，其中提供有控制设备，该控制设备根据预期的焊接工艺激活点火。

发明内容

本发明针对一种如上所述的点火工艺以及一种如上所述的用于执行点火工艺的焊接电流源，该焊接电流源包含用于生成周期性变化的、优选基本上锯齿形状的开路焊接电压的谐振变换器，其中开路焊接电压的电压最大值以重复速率周期性出现。

谐振变换器是基于特定谐振频率上的谐振的电子电路。通常，以接近该谐振频率的频率施加脉冲，由此在该谐振频率上激励该谐振电路，从而得到周期性变化的输出电压。例如，文档WO 2016/142218 A1描述了一种具有合适的电容和电感组件的谐振变换器，其也可以应用于焊接设备的电流源中。

本发明的目的在于创建上述方法和上述焊接电流源，其确保安全点火工艺、同时产生最小成本，以便即使在具有上述成本有效的焊接电流源(具有用于生成周期性变化的开路电压的谐振变换器)的情况下，也允许其经济应用。应当避免或者至少减少已知方法的缺陷。

根据本发明，该目的通过方法的这一事实而实现：谐振变换器由串并联谐振变换器构成，并且时间同步的高频脉冲在开路焊接电压的至少一些周期性出现电压最大值的区域中被叠加在开路焊接电压上。因此，本方法设计成以时间同步的方式将高频脉冲叠加在周期性变化的开路焊接电压的至少一些电压最大值上，这使得能够实现最佳可能的点火性能。作为焊接电流源一部分的、由串并联谐振变换器构成的谐振变换器具有特别简单并因此廉价且紧凑的设计。用于增大点火电压的复杂电路，诸如电压倍增器电路或其他辅助电路，不是必需的，这也是为什么实施本方法的成本能够保持得非常低。由于高频脉冲时间同步地叠加在开路焊接电压的电压最大值上，因此可以改善点火性能，同时，可以符合可应用的安全规程。由于高频脉冲不一定要叠加在开路焊接电压的每个电压最大值上，所以连续施加的开路焊接电压的均值可以保持在规定的限值以下。

高频脉冲将被叠加在电压最大值的区域中这一表述旨在于表达这样的事实：高频脉冲不需要精确地叠加在出现电压最大值的时刻，代替地，这可以发生在出现电压最大值之前或之后的一个区域中。经验显示，高频脉冲叠加在电压最大值区域中或电压最大值的90％的区域中是最优和/或足够的。

有利地，在开路焊接电压的每第n个电压最大值的区域中，时间同步高频脉冲被叠加在开路焊接电压上，其中n是大于或等于1的正整数。对n值的合适选择意味着，一方面，在焊接电流源的输出处传送的平均能量可以限制成允许符合安全规程，另一方面，该方法可以考虑这一事实，即通过对诸如电容器等相应的存储组件充电来生成高频脉冲需要一定的时间。

根据本发明的又一特征，测量焊接电压并检测是否超过预定义电压值，高频脉冲被时间同步地叠加在至少一些检测到的定义的电压值上。通过额外测量开路焊接电压，可以改善高频脉冲与至少一些电压最大值的叠加的时间同步，这是因为考虑了实际状况。通过将定义的电压值设置在期望的电压最大值的区域中，可以非常可靠地检测电压最大值出现的时间，并且高频脉冲可以以时间上同步的方式被叠加在电压最大值上。

高频脉冲可以在电压最大值出现之前或之后的指定时间段内进行叠加，优选最多5ms。如前面已提到的，高频脉冲的叠加并不是在刚好出现电压最大值时执行，而是在不会使点火性能实质上降低的情况下，也可以在此之前或之后的某个区域发生。在传统的电弧点火工艺中，在0到5ms范围之间的延迟被证明是合适的。

有利地，提供具有10Hz到100Hz之间、特别是33Hz的重复频率的开路焊接电压。这些频率范围代表用于焊接电流源的合适值。

理想地，叠加具有100kHz到10MHz之间的频率的高频脉冲。具有这种频率的高频脉冲的振幅为几kV，以便使点火路径充分电离以便点火。

根据本发明的目的还通过上述焊接电流源得以实现，其中谐振变换器由串并联谐振变换器构成，并且提供用于生成高频脉冲的电路，为了对电弧进行无接触点火，该电路被设计成在开路焊接电压的至少一些周期性出现的电压最大值的区域中，将高频脉冲时间同步地叠加在开路焊接电压上。这种焊接电流源的特征在于相对简单且具有成本效益的可生产结构和小尺寸。关于进一步可作为结果获得的优点的详细信息，可以参考上述根据本发明的方法的描述。

有利地，用于生成高频脉冲的电路被设计成在开路焊接电压的每第n个电压最大值的区域中、将高频脉冲时间同步地叠加在开路焊接电压上，其中n是大于或等于1的正整数。如上面已提到的，不是绝对必须在开路焊接电压的每个电压最大值处叠加对应的高频脉冲，以便确保电弧的安全和合适的点火。

根据本发明的又一特征，提供了用于检测焊接电压的测量设备，该测量设备经由控制设备连接到用于生成高频脉冲的电路，从而高频脉冲可以以时间同步的方式与检测到的定义的电压值进行叠加。测量设备可以由常用的监测焊接电压的设备构成，因此不需要额外的硬件。

而且，用于生成高频脉冲的电路可以设计成在电压最大值出现之前或之后，时间上偏移指定时间段，优选最多5ms，来叠加高频脉冲。

有利地，用于生成周期性变化的开路焊接电压的电路被设计成具有10Hz到100Hz之间的重复频率，特别是33Hz。

理想地，用于生成高频脉冲的电路被设计成在100kHz到10MHz之间。

电极可以由非熔化电极构成，特别是钨电极。特别是在利用非熔化钨电极的TIG焊接工艺的情况下，在低开路电压下，电弧的无接触点火是一个相当大的挑战。

附图说明

本发明将参考附图进一步详细解释。示出了：

图1是本发明焊接电流源的电路框图；

图2是根据本发明的焊接电流源的又一设计变体的电路框图；

图3是具有谐振变换器的焊接电流源的开路焊接电压的时间波形；

图4是应用于根据本发明的点火工艺的开路焊接电压的时间波形；

图5是根据本发明的点火工艺的变体中的开路焊接电压的时间波形；以及

图6是点火工艺另一变体中的开路焊接电压的时间波形。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的焊接电流源1的电路框图。焊接电流源1用于在输出2处提供焊接电流I和焊接电压U，以便利用电极3和待焊接工件4之间的电弧L来执行焊接工艺。电极3可以是非熔化电极，特别是钨电极，不过也可以是熔化电极。焊接电流源1包括用于生成焊接电压U的谐振变换器5。特别地，谐振变换器5可以由串并联谐振变换器构成。这种电路在设计上特别简单，并且可以在一系列焊接电流源1中使用。谐振变换器5经由合适的上游电路(诸如整流器等)连接到供电网。

对于电极3与工件4之间的电弧L的无接触点火，提供了用于生成高频脉冲U_I，HF的电路6，该高频脉冲U_I，HF在开路焊接电压U_LL的至少一些周期性出现的电压最大值U_LL，max的区域中、具体以时间同步的方式、被叠加在焊接电流源1的输出2处的开路焊接电压U_LL上。假设固定的定时参数，则周期性出现的电压最大值U_LL，max的时间可以以足够的精度确定，并且高频脉冲U_I，HF的叠加可以以足够的精度执行。用于生成高频脉冲U_I，HF的电路6也可以与输出2或电弧L并联布置(未示出)。

为了改善叠加的时间同步性，可以提供控制设备8，控制设备8相应地控制用于生成高频脉冲U_I，HF的电路6。可选地，可以提供用于检测焊接电压U的测量设备7，该测量设备7连接到控制设备8，从而高频脉冲U_I，HF可以时间同步地在输出2处与检测到的定义的电压值U_LL，def进行叠加。

由于在开路电压U_LL的电压最大值U_LL，max的区域中叠加了高频脉冲U_I，HF，可以增大点火电压并因此可以保证对电弧L的可靠点火。额外的电路复杂性是最小的，因此焊接电流源1不需要设计得比传统的焊接电流源更大更昂贵。高频脉冲U_I，HF可以在开路电压的最大值U_LL，max出现之前不久或之后不久叠加在该开路电压的最大值U_LL，max上。高频脉冲U_I，HF不需要叠加在每个电压最大值U_LL，max上，而是仅在一些电压最大值U_LL，max上，例如，仅在每第二个或每第三个电压最大值U_LL，max上。

图2示出焊接电流源1相比于图1的扩展电路框图，其中用于生成周期性变化的开路焊接电压U_LL的谐振变换器5由具有电感器L_R、电容器C_R和电容器C_p的串并联谐振变换器构成。此外，谐振变换器5具有变压器T。开关S1、S2、S3和S4在谐振电路的输入U_E处生成电压脉冲，该电压脉冲激励谐振电路L_R、C_R和C_p。所示与开关S1到S4并联的电容器是它们的寄生电容并且对谐振电路没有影响，因为它们比电容C_R小很多倍。图示的串并联谐振变换器还具有这样的属性，即，在开路条件下(也即，没有连接的负载)，焊接电压U会归因于谐振电路具有C_p而增大，由此在开路条件下也需要对谐振变换器5进行控制。为此，谐振变换器5在开路条件下以脉冲模式操作。在谐振变换器5的输入U_E处，针对指定时间段施加电压脉冲。由二极管D_L、电阻器R_L和电容器C_L组成的用于维持开路焊接电压U_LL的附加电路9代表用于在开路条件下以脉冲模式操作串并联谐振变换器的一种实施选项。由谐振变换器5生成的振荡经由次级侧的二极管D_L对平滑电容器C_L充电。在没有施加电压脉冲的时间中，平滑电容器C_L经由电阻器R_L放电。因此，在谐振变换器5的输出处，产生周期性变化的、优选基本上锯齿形状的开路焊接电压U_LL，其电压最大值U_LL，max以频率f_w周期性出现(参见图3)。

图3示出具有谐振变换器的焊接电流源1的开路焊接电压U_LL的时间波形。相应地，在焊接电流源1的输出2处，得到开路焊接电压U_LL，该电压U_LL具有周期性变化的、基本上锯齿形状的开路焊接电压U_LL，以重复速率f_w出现电压最大值U_LL，max。

图4示出了应用于根据本发明的点火工艺的开路焊接电压U_LL的时间波形。在该图中，在一些(此处为每个)出现的电压最大值U_LL，max上，在电压最大值U_LL，max的区域中，叠加了高频脉冲U_I，HF。这有助于在焊接电流源1的输出2处的最大平均电压不超过规定限值的情况下，对电弧L的点火。重要的是，高频脉冲U_I，HF的能量含量(content)随时间不超过规定限值。

图5示出在相对于图3的点火工艺的变体中，在焊接电流源1的输出2处的开路焊接电压U_LL的时间波形。在这种情况下，高频脉冲U_I，HF仅叠加在开路电压的每第二个最大值U_LL，max上。相应地，有更多时间可用于对用于生成高频脉冲U_I，HF的电路6的存储组件进行充电，并且随着时间，经由输出2传送更少量的能量。

图6示出在焊接电流源1的输出2处的开路电压U_LL的时间波形的摘录(extract)，其中连续测量开路焊接电压U_LL并与定义的电压值U_LL，def进行比较。定义的电压U_LL，def稍微低于预期的或调整的最大开路焊接电压U_LL，max，从而可以可靠地保证在电压最大值U_LL，max区域中的检测。在检测到定义的电压值U_LL，def之后，至少在一些情况下，叠加高频脉冲U_I，HF，这有助于或支持对电弧L的无接触点火。定义的电压值U_LL，def的出现与叠加高频脉冲U_I，HF的时间之间的时间延迟偏移预定义时间段Δt，其中时间段Δt的长度例如可以在0到5ms之间。

Claims (18)

1.一种用于对电极(3)与待焊接工件(4)之间的电弧(L)进行无接触点火以执行焊接工艺的方法，其中在焊接电流源(1)的输出(2)处提供焊接电流(I)和焊接电压(U)，其中所述焊接电流源(1)包含用于生成周期性变化的、基本上锯齿形状的开路焊接电压(U_LL)的谐振变换器(5)，所述开路焊接电压(U_LL)具有以重复速率(f_w)周期性出现的电压最大值(U_LL，max)，其特征在于：所述谐振变换器(5)由串并联谐振变换器构成，并且时间上同步的高频脉冲(U_I，HF)在所述开路焊接电压(U_LL)的至少一些周期性出现的电压最大值(U_LL，max)的区域中，被叠加在所述开路焊接电压(U_LL)上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，时间上同步的高频脉冲(U_I，HF)在所述开路焊接电压(U_LL)的每第n个电压最大值(U_LL，max)的区域中，被叠加在所述开路焊接电压(U_LL)上，其中n是大于或等于1的正整数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，测量所述焊接电压(U)并且检测是否超过定义的电压值(U_LL，def)，以及所述高频脉冲(U_I，HF)被时间同步地叠加在至少一些检测到的定义的电压值(U_LL，def)上。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高频脉冲(U_I，HF)在所述电压最大值(U_LL，max)的出现之前或之后的指定时间段(Δt)内进行叠加。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述高频脉冲(U_I，HF)在所述电压最大值(U_LL，max)的出现之前或之后最多5ms的指定时间段(Δt)内进行叠加。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，开路焊接电压(U_LL)以10Hz到100Hz之间的重复速率(f_w)提供。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，开路焊接电压(U_LL)以33Hz的重复速率(f_w)提供。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，叠加的高频脉冲(U_I，HF)的频率(f_I)在100kHz到10MHz之间。

9.一种用于在输出(2)处提供焊接电流(I)和焊接电压(U)以利用电极(3)和待焊接工件(4)之间的电弧(L)执行焊接工艺的焊接电流源(1)，该焊接电流源(1)具有用于生成周期性变化的、基本上锯齿形状的开路焊接电压(U_LL)的谐振变换器(5)，所述开路焊接电压(U_LL)具有以重复速率(f_w)周期性出现的电压最大值(U_LL，max)，其特征在于：所述谐振变换器(5)由串并联谐振变换器构成，并且提供用于生成高频脉冲(U_I，HF)的电路(6)，为了对所述电弧(L)无接触点火，所述电路(6)被设计成在所述开路焊接电压(U_LL)的至少一些周期性出现的电压最大值(U_LL，max)的区域中，将所述高频脉冲(U_I，HF)时间上同步地叠加在所述开路焊接电压(U_LL)上。

10.根据权利要求9所述的焊接电流源(1)，其特征在于，用于生成高频脉冲(U_I，HF)的所述电路(6)被设计成在所述开路焊接电压(U_LL)的每第n个电压最大值(U_LL，max)的区域中，将所述高频脉冲(U_I，HF)时间上同步地叠加在所述开路焊接电压(U_LL)上，其中n是大于或等于1的正整数。

11.根据权利要求9或10所述的焊接电流源(1)，其特征在于，提供用于检测所述焊接电压(U)的测量设备(7)，所述测量设备(7)经由控制设备(8)连接到用于生成高频脉冲(U_I，HF)的所述电路(6)，从而所述高频脉冲(U_I，HF)能够被时间同步地叠加在检测到的定义的电压值(U_LL，def)上。

12.根据权利要求9所述的焊接电流源(1)，其特征在于，用于生成高频脉冲(U_I，HF)的所述电路(6)被设计成在所述电压最大值(U_LL，max)的出现之前或之后时间上偏移指定时间段(Δt)叠加所述高频脉冲(U_I，HF)。

13.根据权利要求12所述的焊接电流源(1)，其特征在于，用于生成高频脉冲(U_I，HF)的所述电路(6)被设计成在所述电压最大值(U_LL，max)的出现之前或之后时间上偏移最多5ms的指定时间段(Δt)叠加所述高频脉冲(U_I，HF)。

14.根据权利要求9所述的焊接电流源(1)，其特征在于，所述谐振变换器(5)被设计成以10Hz到100Hz之间的重复速率(f_w)生成所述周期性变化的开路电压(U_LL)。

15.根据权利要求14所述的焊接电流源(1)，其特征在于，所述谐振变换器(5)被设计成以33Hz的重复速率(f_w)生成所述周期性变化的开路电压(U_LL)。

16.根据权利要求9所述的焊接电流源(1)，其特征在于，所述电路(6)被设计成生成在100kHz到10MHz之间的高频脉冲(U_I，HF)。

17.根据权利要求9所述的焊接电流源(1)，其特征在于，所述电极(3)由非熔化电极构成。

18.根据权利要求17所述的焊接电流源(1)，其特征在于，所述电极(3)由钨电极构成。

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