CN1762633A - 焊接电源的输出控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种焊接电源的输出控制方法，是将放大率与输出电流i的微分值相乘并算出电流微分值(Bi)，从预定的输出电压设定值(Er)中减去电流微分值(Bi)并算出电压控制设定值(Ecr)，对输出进行控制以使输出电压(E)与电压控制设定值(Ecr)大致相等的焊接电源的输出控制方法，可以电子方式形成电抗器(WL)的固定电感值Li以下的适当电感值。本发明焊接电源的输出控制方法：电流变化切换信号(Si)为高电平时从输出电压设定值(Er)中减去电流微分值(Bi)并算出电压控制设定值(Ecr)，电流变化切换信号(Si)为低电平时将电流微分值(Bi)与输出电压设定值(Er)相加并算出电压控制设定值(Ecr)。

Description

焊接电源的输出控制方法

技术领域

本发明涉及在短路电弧焊接中所使用的焊接电源的输出控制方法，特别是涉及以电子形式形成用于将短路期间及电弧期间的输出电流的变化适当优化的电抗器的所谓电子电抗器控制的改善。

背景技术

在焊丝和母材之间重复短路和电弧的短路电弧焊接中，按照电弧负载的变动将短路期间及电弧期间中的输出电路i的变化适当化以确保良好的焊接品质，这点是很重要的。在上述的短路电弧焊接中，不仅包括短路过渡电弧焊接，还包括伴随短路的熔滴过渡焊接、伴随短路的喷射过渡焊接等。由于在短路电弧焊接中使用恒压特性的焊接电源，因此设其输出电压为E[V]。此外，设使焊接电源的内部及外部匹配的电抗器的电感值为L[H]，设使内部及外部匹配的电阻值为r[Ω]，设电弧负载的电压(以下称作焊接电压)为v[V]，关于输出有下式成立。

E＝L·di/dt+r·i+v  …(1)式

在上式中，由于电阻值r通常为小的值，因此忽略，如果以电流变化率(电流微分值)di/dt进行整理，则得到下式。

di/dt＝(E-v)/L  …(2)式

在上式中，由于输出电压E为预先设定的值，因此电弧负载变动、焊接电压v变化时的电流变化率di/dt与电感值L成反比例。从而，为了按照电弧负载的变动将电流变化率di/dt适当化，可将电感值设定为适当值Lm[H]。

通常，上述的适当电感值Lm是大小为100～500μH的大值，且通过电抗器中的输出电流i是最大超过500A的非常大的值，因此电抗器的大小变大、重量变重。还有，上述的适当电感值Lm根据焊丝的材质、直径、保护气体的种类、送丝速度(平均输出电流值)等的种种焊接条件而变化。但是，对将导线缠绕在铁芯上而制作的电抗器，不能使其电感值按照上述焊接条件自由变化为期望值。在此，以下说明的现有技术中，公开了电子方式形成与该电抗器等价的作用的控制(以下，称作电子电抗器控制)，该技术被广泛应用(例如参照专利文献1、2等)。

电子电抗器控制的原理如下。设输出电压的设定值为Er[V]，适当电感值为Lm[μH]，用于平滑输出电流i的数十μH(逆变控制时)的固定电感值为Li[μH]，由电子电抗器控制形成的电子电感值为Lr[μH]。因此，Lm＝Li+Lr。如果将上述值代入进行整理，则得到下式。

Er-Lr·di/dt＝Li·di/dt+v  …(3)式

在上式中，通过按照输出电压变为E＝Er-Lr·di/dt的方式进行控制能够形成电子电感值Lr。即、对输出电流i进行检测并进行微分，算出乘以放大率Lr后的电流微分值Bi＝Lr·di/dt。接着，从预先规定的输出电压设定值Er中减去上述的电流微分值Bi，算出电压控制设定值Ecr＝Er-Lr·di/dt，按照输出电压E与该电压控制设定值Ecr大致相等的方式进行控制。在此，由于上述的放大率Lr＝Lm-Li，因此按照各种焊接条件决定适当电感值Lm时，放大率(电子电感值)Lr也确定。从而，通过电子电抗器控制能够将适当电感值Lm设定为任意值。

图6是采用上述的现有技术的电子电抗器控制的焊接电源的框图。以下，参照该图对各模块进行说明。

电源主电路PMC，输入商用电源(3相200V等)，根据后文所述的误差放大信号Amp进行逆变控制、斩波控制、可控硅相位控制等的输出控制，输出输出电压E。电抗器WL是在铁芯上缠绕导线的元件，逆变控制时具有数十μH左右小值的固定电感值Li[μH]。焊丝1由焊丝送给装置的送丝辊5通过焊枪4内被送给，在与母材2之间产生电弧3。

电流检测电路ID，对输出电流i进行检测并输出电流检测信号id。电子电抗器控制电路ERC，对上述电流检测信号id进行微分并乘以放大率Lr，输出电流微分信号Bi＝Lr·di/dt。放大率Lr，如上述那样按照各种焊接条件预先设定适当值。此时，为了使焊接状态稳定化，在输出电流i的上升时和下降时使上述放大率Lr变化，多数情况下在上升时设定为较大值、下降时设定为较小时。

输出电压设定电路ER，输出期望值的输出电压设定信号Er。减法电路SUB从该输出电压设定信号Er中减去上述电流微分信号Bi，输出电压控制设定信号Ecr＝Er-Bi。输出电压检测电路ED，对输出电压E进行检测并输出输出电压检测信号Ed。误差放大电路AMP，放大上述的电压控制设定信号Ecr与该输出电压检测信号Ed之间的误差，输出误差放大信号Amp。

图7是图6中上述的焊接电源中的各信号的时序图。该图(A)表示输出电流i的时间变化，该图(B)表示电流微分信号Bi的时间变化，该图(C)表示电压控制设定信号Ecr的时间变化。以下，参照该图进行说明。

如图(A)所示，时刻t1～t2的短路期间Ts中，为了使电弧负载变为短路负载，输出电流i上升。与此同时，如图(B)所示，电流微分信号Bi为与输出电流i的上升率成比例的正值。接着，如图(A)所示，时刻t2～t3的电弧期间Ta中，为了从短路负载变为电弧负载，输出电流i下降。与此同时，如图(B)所示，电流微分信号Bi成为与输出电流i的下降率成比例的负值。并且，如图(C)所示，电压控制设定信号Ecr成为从输出电压设定信号Er中减去图(B)所示的电流微分信号Bi后的值。按照与该电压控制设定信号Ecr大致相等的方式对焊接电源的输出电压E进行输出控制。其结果，形成比固定电感值Li更大值的适当电感值Lm。因此，如图(A)所示，实线的输出电流的电流变化比只虚线的固定电感值Li时的电流变化更平缓。

具有上述的适当电感值Lm的电抗器的主要作用有两个。第1是对输出电流i及输出电压E进行平滑并使脉动(ripple)比规定值小。如果脉动大，则平均输出电流小时，容易产生断弧。此外，如果脉动大，则由于脉动而引起电流变化幅度变大，也存在焊道外观变差的情况。在输出控制方式为数十kHz的逆变控制的情况下，为了该平滑作用，如果电感值在数十μH以上，则是足够的，能够与上述的固定电感值Li对应。但是，在输出方式为可控硅相位控制的情况下，为了使控制频率低于工业交流电源的6倍(300或者360Hz)，该平滑作用需要数百μH例如250μH左右的电感值。在数kHz的斩波控制的情况下，也需要150μH左右的电感值。

第2作用，如上所述，是将短路期间中的电流上升率及电弧期间中的电流下降率适当化。如上所述，该作用需要100～500μH左右的电感值。由于该电流变化适当化作用，是根据电弧现象决定的值，因此即使输出控制方式变换为逆变控制、斩波控制或者可控硅相位控制，控制可变频率的变化，也不受太大影响。

上述的电子电抗器控制，在上述的第1平滑作用中不能使用电子方式形成电感值。其理由如下。即，电子电抗器控制，按照电压控制设定信号Ecr和输出电压E大致相等的方式由各自输出控制方式的控制频率进行控制。因此，不能控制由控制频率决定的脉动。从而，第1平滑作用所必需的电感值需要由固定电感值Li形成。另一方面，第2电流变化适当化作用所必需的电感值，如上所述，可由电子电抗器控制形成。但是，现有技术的电子电抗器控制，将电子电感值Lr与固定电感值Li相加、得到适当电感值Lm。

在如逆变控制那样控制频率高的情况下，如上所述，由于用于第1平滑作用的电感值为数十μH，因此也可将该值作为固定电感值Li的值。并且，也可用电子方式形成第2电流变化适当化作用所必需的100～500μH与固定电感值Li的差的电感值。

另一方面，可控硅相位控制的情况下，由于控制频率低，因此第1平滑作用所必需的电感值为250μH左右。需要将该值作为固定电感值Li。第2电流变化适当化作用所必需的电感值为100～500μH。因此，在需要250μH以上的电感值的情况下，可由电子电抗器控制形成。但是，由于100μH以上小于250μH的电感值比固定电感值Li小，因此不能由电子电抗器控制形成。斩波控制的情况也相同。即、在固定电感值Li比用于电流变化适当化的适当电感值Lm大的情况下，现有技术的电子电抗器控制不能形成适当电感值Lm。因此，在适当电感值Lm小的小电流焊接中，存在进一步改善焊接品质的问题。特别由于在使用直径细的焊丝(直径1.0mm以下)的小电流焊接中，适当电感值为最小100μH左右，因此加强了改善焊接品质的需要。

此外，在逆变控制式焊接电源中，为了分离焊接电源的输出端子和母材以及焊枪，焊枪变长的情况下，也存在将电缆的电感值和电抗器WL的电感值相加超过100μH的情况。在这种情况下，即使控制频率高也会产生上述问题。

专利文献1：特开2004-114098号公报；

专利文献2：特开2004-181526号公报。

发明内容

在此，本发明的目的在于提供一种焊接电源的输出控制方法，即使在用于电流变化适当化的适当电感值Lm比固定电感值Li小的情况下，也可由电子电抗器控制形成焊接电源。

为了解决上述课题，本发明之一的焊接电源的输出控制方法，是在焊丝和母材之间重复短路和电弧的短路电弧焊接所使用的焊接电源中，将预定的放大率与上述焊接电源的输出电流的微分值相乘并算出电流微分值，从预定的输出电压设定值中减去上述电流微分值并算出电压控制设定值，对输出进行控制以使上述焊接电源的输出电压与上述电压控制设定值大致相等的焊接电源的输出控制方法，其特征在于，设置电流变化切换电路，其输出上述输出电流相对于负载变动的变化速度为缓慢时为高电平、快时为低电平的电流变化切换信号，上述电流变化切换信号为高电平时，从上述输出电压设定值中减去上述电流微分值并算出上述电压控制设定值，上述电流变化切换信号为低电平时，将上述电流微分值与上述输出电压设定值相加并算出上述电压控制设定值。

此外，本发明之二的焊接电源的输出控制方法，其特征在于，发明之一所述的电流变化切换电路，按照焊丝的种类或者送丝速度输出预定的适当的电流变化切换信号。

此外，本发明之三的焊接电源的输出控制方法，其特征在于，发明之一所述的电流变化切换电路，按照负载状态输出预定的适当的电流变化切换信号。

发明效果

根据上述发明之一，能够以电子方式形成焊接电源内部以及外部的电抗器的固定电感值Li以上或者比其小的适当电感值Lm。因此，在如可控硅相位控制、斩波控制等那样，为了使控制频率降低、减小输出脉动，需要增大固定电感值Li的情况下，能够形成与焊接条件对应的适当电感值Lm。其结果，对负载变化的输出电流的变化速度被适当化，焊接品质变好。此外，逆变控制式焊接电源中，也存在为了提高MIG焊接的焊接性能，使固定电感值Li增大的情况。存在由该焊接电源进行CO₂焊接或者MAG焊接后，由于固定电感值Li过大，而焊接不稳定的情况。在这种情况下，通过适用本发明，在上述的所有焊接法中可进行良好的焊接。还有，长焊接电缆的固定电感值Li大的情况也相同。

此外，根据上述发明之二，除了上述效果外，能够按照焊丝的种类或者送丝速度自动地设定电流变化切换信号Si的适当值。因此，能够自动地形成与这些焊接条件对应地适当电感值Lm。

此外，根据上述发明之三，除了上述效果外，能够按照焊接中的负载状态自动地设定电流变化切换信号Si的适当值。因此，能够自动形成与负载状态对应的适当电感值Lm。负载状态不只为短路负载、电弧负载时，还有电弧开始之后的负载状态、焊接结束时的负载状态、电弧长度急剧变化时的负载状态等各种状态。

附图说明

图1是用于实施有关本发明的实施方式1的焊接电源的输出控制方法的焊接电源的框图。

图2是图1的各信号的时序曲线图。

图3是用于实施有关本发明的实施方式2的焊接电源的输出控制方法的焊接电源的框图。

图4是用于实施有关本发明的实施方式3的焊接电源的输出控制方法的焊接电源的框图。

图5是图4的各信号的时序曲线图。

图6是用于实施现有技术的焊接电源的输出控制方法的焊接电源的框图。

图7是图6的各信号的时序曲线图。

图中：1-焊丝；2-母材；3-电弧；4-焊枪；5-送给辊；AMP-误差放大电路；Amp-误差放大信号；Bi-电流微分(值/信号)；WL-电抗器；di/dt-电流变化率；E-输出电压；ECR-电压控制设定电路；Ecr-电压控制设定(值/信号)；ED-输出电压检测电路；Ed-输出电压检测信号；ER-输出电压设定电路；Er-输出电压设定(值/信号)；ERC-电子电抗器控制电路；i-输出电流；ID-电流检测电路；id-电流检测信号；L-电感值；Li-固定电感值；Lm-适当电感值；Lr-放大率/电子电感值；PMC-电源主电路；r-电阻值；SD-短路电弧判断电路；Sd-短路电弧判断信号；SI-电流变化切换电路；Si-电流变化切换信号；SI2-第2电流变化切换电路；SI3-第3电流变化切换电路；SUB-减法电路；Ts-短路期间；v-焊接电压；VD-电压检测电路；vd-电压检测信号；WC-焊接条件设定电路；Wc-焊接条件设定信号。

具体实施方式

以下，边参照附图，边对本发明的实施方式进行说明。

[实施方式1]

(1)Lm≥Li的情况

适当电感值Lm在固定电感值Li以上的情况下，Lm＝Li+Lr。Lr是电子电感值。在该情况下，能够应用现有技术的电子电抗器控制，基本式如下述(3)式。

Er-Lr·di/dt＝Li·di/dt+v  …(3)式

在此，Er为输出电压设定值，Li为放大率(电子电感值)，v为焊接电压。设电压控制设定值Ecr＝Er-Lr·di/dt，以使输出电压E与该电压控制设定值Ecr大致相等的方式进行控制。由此，能够形成Lm≥Li的适当电感值。

(2)Lm＜Li的情况

在适当电感值Lm比固定电感值Li小的情况下，Lm＝Li-Lr。因此，上述(3)式变为下述(4)式。

Er+Lr·di/dt＝Li·di/dt+v  …(4)式

在此，设电压控制设定值Ecr＝Er+Lr·di/dt，以使输出电压E与该电压控制设定值Ecr大致相等的方式进行控制。由此，能够形成Lm＜Li的适当电感值。

(3)即、通过在Lm≥Li的情况下设Ecr＝Er-Lr·di/dt，在Lm＜Li的情况下设Ecr＝Er+Lr·di/dt，能够以电子方式形成固定电感值Li以上或者小于适当电抗器值。在此，将电流变换切换电路SI设置在焊接电源中，输出电流变化切换信号Si，该信号Si在输出电流的电流变化比只有固定电感值Li变化更平缓时为高电平，在更快时为低电平。从而，电流变化切换信号Si，在Lm≥Li时为高电平，在Lm＜Li时为低电平。上述的电子电感值，如果根据焊接条件决定适当电感值Lm，则通过固定电感值Li的运算求出。即、Si＝高电平时，Lr＝Lm-Li，Si＝低电平时Lr＝Li-Lm。

例如，在可控硅相位控制的焊接电源中，如上所述，设固定电感值Li＝250μH，适当电感值Lm＝350μH的情况下，也可将电流变化切换信号Si设为Si＝高电平，设定电子电感值Lr＝150μH。此外，在适当电感值Lm＝150μH的情况下，也可设定电流变化切换信号Si＝低电平，电子电感值Lr＝100μH。这样，根据本发明的电子电抗器控制，从焊丝直径小的小电流焊接到焊丝直径大的大电流焊接为止，能够形成用于使短路电弧焊接稳定的适当电感值Lm。

图1是用于实施有关本发明的实施方式1的焊接电源的输出控制方法的焊接电源的框图。在图中，对与上述图6相同的模块付与相同的符号，并省略其说明。以下，对用虚线所示的与图6不同的模块参照该图进行说明。

电流变化切换电路SI，如上所述，输出对负载变动的输出电流的变化缓慢时为高电平、快时为低电平的电流变化切换信号Si。电压控制设定电路ECR，在上述电流变化切换信号Si为高电平时，如上述(3)式那样从输出电压设定信号Er减去电流微分信号Bi，算出电压控制设定信号Ecr，在电流变化切换信号Si为低电平时，如上述(4)式那样将电流微分信号Bi与输出电压设定信号Er相加，算出电压控制设定信号Ecr。进行输出控制以使该电压控制设定信号Ecr和输出电压检测信号Ed大致相等，形成适当电感值Lm。

电流变化切换信号Si＝高电平时的时序曲线图，与上述的图7相同。因此，如图7(A)所示，实线的输出电流波形的电流变化比只固定电感值时的虚线的输出电流波形A的电流变化更平缓。

另一方面，电流变化切换信号Si＝低电平时的时序曲线图如图2所示。该图(A)表示输出电流i的时间变化，该图(B)表示电流微分信号Bi的时间变化，该图(C)表示电压控制设定信号Ecr的时间变化。该图与上述图7相对应。该图(B)是对该图(A)的输出电流i进行微分后的信号，电流微分信号Bi＝Lr·di/dt。该图(C)的电压控制设定信号Ecr的算出方法与图7不同，Ecr＝Er+Bi。其结果，如该图(A)所示，输出电流i的电流变化，比虚线的只有固定电感值的输出电流波形A时更快。这是因为，进行控制以使适当电感值Lm比固定电感值Li更小的缘故。

[实施方式2]

本发明的实施方式2，是实施方式1中的电流变化切换电路SI根据焊丝的种类或者送丝速度而输出预定的适当的电流变化切换信号Si的方式。如上所述，在如可控硅相位控制、斩波控制等那样控制频率高的情况下，固定电感值Li变为大值。另一方面，适当电感值Lm随着焊丝直径的变大而变大。还有适当电感值Lm，在焊丝的材质为铝材的情况下变大，钢铁材料的情况下变小。还有适当电感值Lm随着焊丝送给速度(平均输出电流值)变快而变大。因此，按照焊丝的种类或者送丝速度预先设定电流变化切换信号Si为高电平或低电平的任一个，按照焊接条件自动设定适当的电流变化切换信号Si。

图3是用于实施有关实施方式2的焊接电源的输出控制方法的焊接电源的框图。在该图中，对与上述图6及图1相同的模块付与相同符号并省略其说明。以下，对虚线所示的模块进行说明。焊接条件设定电路WC，输出至少包括焊丝的种类或者送丝速度的焊接条件设定信号Wc。第2电流变化切换电路SI2，如上所述，在对负载变动的输出电流的电流变化缓慢时，为高电平，在变快时为低电平，按照上述的焊接条件设定信号Wc输出预定的高电平或者低电平的电流变化切换信号Si。

[实施方式3]

本发明的实施方式3，是实施方式1中的电流变化切换电路SI按照负载状态输出预定的适当电流变化切换信号Si的方式。存在根据焊接接头、焊接速度等的焊接条件，按照负载状态切换适当电感值Lm方的情况。即、在负载状态为短路负载时，为了使适当电感值Lm变小，电流变化切换信号Si设为低电平，在电弧负载时，为了时适当电感值Lm变大，将电流变化切换信号Si设为高电平。在此所述的负载状态，不但指短路负载或电弧负载时，还有电弧开始时的负载状态、焊接结束时的负载状态、由送丝速度的变动等的干扰而使电弧长度急剧变化时的变负载状态等。因此，实施方式3，与一次的焊接途中的负载状态的变化对应并使电流变化切换信号Si的值变为预定的值。

图4是用于实施有关实施方式3的焊接电源的输出控制方法的焊接电源的框图。在该图中，对与上述图6及图1相同的模块付与相同符号并省略其说明。以下，对虚线所示的模块进行说明。电压检测电路VD，对焊接电压v进行检测并输出电压检测信号vd。短路电弧判断电路SD，根据上述电压检测信号vd的值判断短路或者电弧，输出短路负载时为高电平、电弧负载时为低电平的短路电弧判断信号Sd。第3电流变化切换电路SI3，如上所述，对负载变动的输出电流的电流变化缓慢时为高电平，在变快时为低电平，按照上述短路电弧判断信号Sd输出预定的高电平或者低电平的电流变化切换信号Si。

图5是上述图4的焊接电源中的各信号的时序曲线图。该图表示，短路期间Ts中电流变化切换信号Si为低电平，电弧期间Ta中电流变化切换信号Si为高电平的情况。该图(A)表示输出电流i的时间变化，该图(B)是电流微分信号Bi的时间变化，该图(C)是电压控制设定信号Ecr的时间变化。以下，参照该图进行说明。

该图(B)所示的电流微分信号Bi，是对该图(A)所示的输出电流i进行微分的信号。该图(C)所示的电压控制设定信号Ecr，根据短路或者电弧状态如上所述那样，其计算方法不同。即、时刻t1～t2的短路期间Ts中，由于短路电弧判断信号Sd为高电平，电流变化切换信号Si为低电平，因此作为Ecr＝Er+Bi被算出。接着，在时刻T2～T3的电弧期间Ta中，由于短路电弧判断信号Sd为低电平、电流变化切换信号Si为高电平，因此作为Ecr＝Er-Bi被算出。其结果，如图(A)所示，实线的输出电流i的电流变化，与只固定电感值Li时的虚线的输出电流波形A的电流变化相比，短路期间Ts中变快，电弧期间Ta中变慢。这样，按照负载状态能够形成固定电感值Li以上或者比其小的适当电感值Lm。

Claims (3)

1、一种焊接电源的输出控制方法，是在焊丝和母材之间重复短路和电弧的短路电弧焊接所使用的焊接电源中，将预定的放大率与所述焊接电源的输出电流的微分值相乘并算出电流微分值，从预定的输出电压设定值中减去所述电流微分值并算出电压控制设定值，对输出进行控制以使所述焊接电源的输出电压与所述电压控制设定值大致相等的焊接电源的输出控制方法，其特征在于，

设有电流变化切换电路，其输出所述输出电流相对于负载变动的变化速度缓慢时为高电平、快时为低电平的电流变化切换信号，所述电流变化切换信号为高电平时，从所述输出电压设定值中减去所述电流微分值并算出所述电压控制设定值，所述电流变化切换信号为低电平时，将所述电流微分值与所述输出电压设定值相加并算出所述电压控制设定值。

2、一种焊接电源的输出控制方法，其特征在于，

权利要求1所述的电流变化切换电路，按照焊丝的种类或者送丝速度，输出预定的适当电流变化切换信号。

3、一种焊接电源的输出控制方法，其特征在于，

权利要求1所述的电流变化切换电路，按照负载状态输出预定的适当电流变化切换信号。

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