CN1765556A - 焊接电源的输出控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明，检测焊接电流(I)，移动平均该焊接电流检测值(id)而算出焊接电流移动平均值(ira)，算出该焊接电流移动平均值(ira)和上述焊接电流检测值(id)之间的误差放大值(ΔEr)，将该误差放大值(ΔEr)与上述电压设定值(Er)相加而算出电压控制设定值(Ecr)，控制输出以使该电压控制设定值(Ecr)与上述输出电压(E)大致相等。从而在粗滴过渡焊接或者喷射过渡焊接中使用的、且电抗器(WL)的电感值(Li)为数百μH的大值的焊接电源中，控制输出以使上述焊接电源的输出电压E和预先给定的电压设定值(Er)大致相等的焊接电源的输出控制方法，可抑制由于送丝速度、焊枪高度等的变动而导致焊接电流(i)处于波动状态。

Description

焊接电源的输出控制方法

技术领域

本发明涉及抑制在粗滴过渡焊接或者喷射过渡焊接中由于干扰而引起的焊接电流的波动状态而可以得到良好的焊接品质的焊接电源的输出控制方法。

背景技术

在焊丝与母材之间重复短路与电弧的短路电弧焊接中，根据电弧负载的变动将短路期间以及电弧期间中的焊接电流i的变化适当化，对确保良好的焊接品质来说是很重要。由于在短路电弧焊接中使用恒压特性的焊接电源，因此将其输出电压设为E[V]，将合计焊接电源的内部及外部的电抗器的电感设为L[H]，将合计内部及外部的电阻的值设为r[Ω]，将电弧负载的电压(以下称作焊接电压)设为v[V]，则关于输出下式成立。

E＝L·di/dt+r·i+v  …(1)式

在上式中，由于电阻值r为通常小的值，因此省略，以电流变化率(电流微分值)di/dt进行整理，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，因此电弧负载变动而使焊接电压变化时的电流变换率di/dt与电感值L成反比例。从而，为了根据电弧负载的变动将电流变化率di/dt适当化，可将电感值L设定为适当值Lm[H]即可。

通常，由于上述适当电感值Lm为100～500μm的大值，且对电抗器通电的焊接电流i为最大超过500A的非常大的值，因此电抗器的大小变大且重量也变重。还有，上述适当电感值Lm根据焊丝的材质、直径、保护气体的种类、送丝速度(平均焊接电流值)等各种焊接条件而变化。但是，将导线卷在铁芯上而制作的电抗器，不能根据上述焊接条件使其电感值自由地变化为期望值。在此，采用将用户较多使用的焊接条件作为标准焊接条件，在该标准焊接条件中具有最佳电感值的电抗器内置于焊接电源中的方法。此外，在除此之外以下所说明的现有技术中，公开并广泛使用以电子的方式形成与电抗器等价的作用的控制(以下，称作电子电抗器控制)(例如参照专利文献1)。

电子电抗器控制的原理如下。设输出电压的设定值为Er[V]，设适当电感值为Lm[μH]，设用于平滑焊接电流i的数十μH(逆变控制时)的固定电感值为Li[μH]，设由电子电抗器控制而形成的电子电感值为Lr[μH]。从而，Lm＝Li+Lr。将该式代入上述(2)式，整理得下式。

Er-Lr·di/dt＝Li·di/dt+v…(3)式

在上式中，通过进行控制以使输出电压为E＝Er-Lr·di/dt，能够形成电子电感值Lr。即检测并对焊接电流i进行微分，算出乘以放大率Lr的电流微分值Bi＝Lr·di/dt。接着，从预先给定的电压设定值Er中减去上述电流微分值Bi，算出电压控制设定值Ecr＝Er-Lr·di/dt，进行控制以使输出电压E与该电压控制设定值Ecr大致相等。在此，由于上述放大率Lr＝Lm-Li，因此如果根据各种焊接条件，决定适当电感值Lm时，则决定放大率(电子电感值)Lr。从而，通过电子电抗器控制将适当电感值Lm设定为任意的值。

图5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，输入商业电源(3相200V等)，根据后述的电压误差放大信号Amp进行逆变控制、斩波控制、可控硅相位控制的输出控制，将输出电压E输出。电抗器WL是将导线卷在铁芯上的元件，逆变控制时具有数十μH左右的小值的固定电感值Li[μH]。焊丝1通过送丝装置的送丝辊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对焊接电流i进行检测并输出焊接电流检测信号id。电子电抗器控制电路ERC，对上述焊接电流检测信号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，如上所述，根据各种焊接条件预先设定适当值。

电压设定电路ER，输出期望值的电压设定信号Er。减法电路SUB从该电压设定信号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，对上述电压控制设定信号Ecr与该输出电压检测信号Ed之间的误差进行放大，并输出电压误差放大信号Amp。

图6为图5中所述的焊接电源中的各信号的时序图。该图(A)表示焊接电流i的时间变化，该图(B)表示焊接电压v的时间变化，该图(C)表示电流微分信号Bi的时间变化，该图(D)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。

由于时刻t1～t2的短路期间Ts中电弧负载为短路负载，因此如该图(A)所示，焊接电流i增加，如图(B)所示，焊接电压v为低值。与此同时，如图(C)所示，电流微分信号Bi变为与焊接电流i的增加率成比例的正值。接着，由于时刻t2～t3的电弧期间Ta中从短路负载变为电弧负载，因此如图(A)所示，焊接电流i减小，如图(B)所示，焊接电压v为电弧电压值。随着该现象，如图(C)所示，电流微分信号Bi成为与焊接电流i的减少率成比例的负值。并且，如图(D)所示，电压控制设定信号Ecr成为从预先设定的电压设定信号Er减去图(C)所示的电流微分信号Bi后的值。对焊接电源的输出电压E进行输出控制以使该电压控制设定信号Ecr大致相等。其结果，形成比固定电感值Li更大的值的适当电感值Lm。

此外，时刻t21～t22的期间中的动作如下。电弧期间Ta中，由于送丝速度的变动、手晃动等引起的焊枪高度的变动、来自熔池的气体的喷出等的各种干扰，常常发生电弧长度短时间骤变。随着该干扰引起的电弧长度的骤变，如果焊接电流i变动较大，则焊接品质变差。因此，通过电弧期间中的适当电感值Lm变大，如图(A)所示能够抑制焊接电流i的变动。由此，电子电抗器控制是通过电子的方式形成较大值的电感值，是可将固定电感值Li可变为较大值的控制。

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是对焊接电流i及输出电压E进行平滑并使脉动比给定值小。如果脉动大，则容易在小电流区域产生断弧。此外，如果脉动大，则有时脉动所引起的电流变化幅度也变大，焊道外观变差。在输出控制方式为数十kHz的逆变控制的情况下，如果实现该平滑作用为数十μH以上，则足够，能够与上述的固定电感值Li对应。但是，输出控制方式为可控硅相位控制的情况下，由于控制频率低，为工业交流电源的6倍(300或者360Hz)，因此为了实现该平滑作用，需要数百μH的电感值。即使在数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，将短路期间中的电流增加率以及电弧期间中的电流减少率适当化。为了实现该作用，如上所述，需要100～500μH左右的电感值。该电流变化适当化作用，由于是由电弧现象规定的值，因此输出控制方式变为逆变控制、斩波控制或者可控硅相位控制，即使控制频率变化，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，以电子的方式形成电感值，但不能使用。其理由如下。也即、电子电抗器控制用各自的输出控制方式的控制频率进行控制以使电压控制设定信号Ecr与输出电压E大致相等。因此，不能控制由控制频率决定的脉动。因此，第1平滑作用中所必需的电感值需要通过固定电感值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，由电子电抗器控制形成。现有技术的电子电抗器控制中，将电子电感值Lr与固定电感值Li相加，增大得到适当电感值Lm。

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与母材以及焊枪，而焊接电缆长的情况下，也可将电缆的电感值和电抗器WL的电感值相加，而达到数百μH。

然而，本发明，用于解决在使用固定电感值Li为数百μH左右的焊接电源，进行粗滴过渡焊接或喷射过渡焊接的情况下会产生的下述课题。粗滴过渡焊接中包括中电流以上的CO₂焊接、带焊剂的焊丝的焊接等，喷射过渡焊接包括中电流域以上的MAG焊接、MIG焊接等。这些焊接，有时仅偶尔发生焊丝与母材之间的短路，只在电弧期间为持续状态。

图7是由于干扰电弧负载X1、X2变动时的焊接电源的恒压特性Xc和电弧负载X1、X2之间的关系图。熔化电极气体保护电弧焊接中，使用具有恒压特性Xc的焊接电源。但是，如该图所示，即使恒压特性Xc，由于内部电阻值r的影响，也具有-3V/100A左右的向右下降的特性。当前时刻的电弧负载为X1。在该状态下，如果产生送丝速度的变动、焊枪高度的变动、焊接姿势的变化、焊接速度的变化等的干扰，则电弧长度变动，电弧负载变化为X1→X2。伴随该现象，焊接电流变化为i1→i2，焊接电压变化为v1→v2。也即，如果由干扰改变电弧负载，则焊接电流i及焊接电压v变化。特别是在仅向右下降的恒压特性Xc的情况下，焊接电流i的变化幅度变大。此外，动作点从t1移动到t2的速度(电流变化率)，如上所述，与焊接电源的电感值成反比例。从而，以本发明为对象的具有数百μH大小的电感值的焊接电源，动作点的移动速度变慢。

在电感值小的情况下，由干扰将电弧负载暂时变为X2，动作点也快速地移动到t2。从而，消除干扰、使电弧负载返回到X1后，动作点快速移动到原稳定状态的t1。但是，如果电感值变大，则动作点的移动变缓，因此不能很快地返回到稳定状态t1。

图8是在粗滴过渡焊接中产生干扰，变动电弧负载时的焊接电流i、焊接电压v以及电弧产生状态的时间变化图。在时刻t1以前，由于焊接状态处于稳定的状态，因此如图(A)所示的焊接电流i及图(B)所示的焊接电压v为大致恒值。此外，如图(C1)所示，在母材2上形成熔池2a，在与焊丝1之间产生稳定的电弧3。

在时刻t1，产生上述那样的干扰时，则如图(C2)所示，电弧长度变短，电弧负载变动。图7中如上所述，随着该现象，焊接电流i增加，在时刻t2成为峰值。由于焊接电源的电感值变大，因此该焊接电流i的变化速度变慢。时刻t2的电弧产生状态，如图(C3)所示，由于焊接电流值i变大，电弧力也变大，因此熔池2a变为凹陷的状态，电弧长度转而变长。在该状态下，即使消除干扰，如果焊接电流i的变化和熔池2a的振动也处于类似共振状态的一种状态(以下，称为波动状态)。该波动状态，如图(C4)所示，即使在时刻t3熔池由于振动隆起、电弧长度变短、焊接电流i变小，也继续。并且，该波动状态维持较长的期间。其结果，焊接品质不良。也即，在通电较大的电流、电弧长度长状态的粗滴过渡焊接或者喷射过渡焊接中，在焊接电源的电感值较大的情况下，因为干扰而易于陷入上述的波动状态。图6(A)的时刻t21～t22所示的电流变化也是由于干扰而引起的，但由于该图表示比较小的焊接电流值i、电弧长度也短的短路电弧焊接的情况，因此不容易产生上述的波动状态。此外，现有技术的电子电抗器控制是增大焊接电源的电感值的控制，因此不能抑制上述的波动状态。

专利文献1：特开2004-181526号公报。

发明内容

在此，本发明提供一种在使用电感值大的焊接电源的粗滴过渡焊接或者喷射过渡焊接中，能够抑制由于各种干扰而产生焊接电流和熔池之间的波动状态的焊接电源的输出控制方法。

为了解决上述课题，本发明之一，是使用于从焊丝开始的熔滴过渡向粗滴过渡或喷射过渡的电弧焊接的、且在输出中设置了电抗器的电感值为数百μH的大值的焊接电源中，控制输出以使所述焊接电源的输出电压和预先给定的电压设定值大致相等的焊接电源的输出控制方法，其特征在于，

检测焊接电流，移动平均该焊接电流检测值而算出焊接电流移动平均值，算出该焊接电流移动平均值和上述焊接电流检测值之间的误差放大值，将该误差放大值与上述电压设定值相加而算出电压控制设定值，控制输出以使该电压控制设定值与上述输出电压大致相等。

此外，本发明之二，其特征在于，在本发明之一所述的焊接电源的输出控制方法中，将产生焊丝与母材的短路的期间中的所述电压控制设定值设定为与所述电压设定值相等或距所述电压的限制为给定范围的值。

(发明效果)

根据上述发明之一，使用具有电感值大的电抗器的焊接电源，进行粗滴过渡焊接或喷射过渡焊接时，即使由于各种干扰而产生焊接电流与熔池的波动状态，也能够抑制焊接电流的变动并大幅度改善该波动状态，可维持良好的焊接品质。

还有，根据上述发明之二，除了上述的效果，产生短路的机构中，通过大致禁止本发明的焊接电流的变化抑制作用，尽早解除短路并导致电弧再产生。因此，即使产生短路也可稳定地保持焊接状态。

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是产生图1的焊接电源中的各信号的时序图。

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是产生图3的焊接电源的各信号的时序图。

图5是用于实施现有技术中的焊接电源的输出控制方法的焊接电源的框图。

图6是产生图5的焊接电源的各信号的时序图。

图7是用于说明本发明的课题的焊接电源的恒压特性Xc与电弧负载X1、X2之间的关系图。

图8是用于说明本发明的课题的产生干扰、处于波动状态时的电流·电压波形图。

图中：1-焊丝；2-母材；2a-熔池；3-电弧；4-焊枪；5-送丝辊；AMP-误差放大电路；Amp-电压误差放大信号；Bi-电流微分(值/信号)；DER-误差放大值计算电路；DER2-第2误差放大值计算电路；E-输出电压；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-电压设定电路；Er-电压设定(值/信号)；ERC-电子电抗器控制电路；i-焊接电流；ID-电流检测电路；id-焊接电流检测信号；IRA-焊接电流移动平均值计算电路；ira-焊接电流移动平均(值/信号)；L-电感值；Li-固定电感值；Lm-适当电感值；Lr-放大率/电子电抗器值；PMC-电源主电路；r-焊接电源的内部电阻值；SD-短路判断电路；Sd-短路判断信号；SUB-减法电路；Ta-电弧期间；Ts-短路期间；v-焊接电压；WL-电抗器；X1、X2-电弧负载；Xc-恒压特性；ΔEr-误差放大(值/信号)。

具体实施方式

下面，根据附图说明本发明的实施方式。

(第1实施方式)

本发明的实施方式1，对焊接电流i进行移动平均，算出焊接电流移动平均值ira，算出该焊接电流移动平均值ira与焊接电流i之间的误差放大值ΔEr＝Gain·(ira-i)，将该误差放大值ΔEr与预先给定的电压设定值Er相加，算出电压控制设定值Ecr，控制输出以使该电压控制设定值Ecr与焊接电源的输出电压E大致相等。上述的增益(Gain)是预先给定的放大率。以下，参照附图详细地进行说明。

图1是用于实施有关实施方式1的焊接电源的输出控制方法的焊接电源的框图。在该图中，与上述图5相同的方框付与相同符号，并省略其说明。以下，对与图5不同的用虚线表示的模块进行说明。

焊接电流移动平均值计算电路IRA，对焊接电流检测信号id进行移动平均，输出焊接电流移动平均信号ira。移动平均期间为10～100ms左右，设定为比由于上述干扰而引起的波动状态的周期长。因此，根据焊接条件设定为适当值。误差放大值计算电流DER，将上述焊接电流移动平均信号ira与焊接电流检测信号id之间的误差放大，输出误差放大信号ΔEr＝Gain·(ira-id)。在此，Gain是预先给定的放大率，设定为0.01～0.1左右。如果例举数值例，若Gain＝0.03，则相对ira-id＝100A的误差，ΔEr＝3V，输出电压值增加3V。加法电路AD，将电压设定信号Er与上述的误差放大信号ΔEr相加，输出电压控制设定信号Ecr＝Er+ΔEr。以后，进行输出控制以使该电压控制设定信号Ecr与输出电压E大致相等。

图2是产生由干扰引起的电弧负载变动时的上述焊接电源的各信号的时序图。该图(A)表示焊接电流i的时间变化，该图(B)表示焊接电压v的时间变化，该图(C)表示电压控制设定信号Ecr的时间变化。该图与上述的图8对应，是在时刻t1产生干扰的情况。

时刻t1中，产生上述那样的各种干扰，电弧长度变短后，如图(A)所示，焊接电流i增加到i2。另一方面，由于焊接电流移动平均信号ira如虚线所示被平均化，所以变为大致恒值。因此，ira＜i2，误差放大信号ΔEr＝Gain·(ira-i2)＜0。并且，如图(C)所示，由于电压控制设定信号Ecr＝Er+ΔEr，因此Ecr＜Er，输出电压降低。伴随该现象，如图(A)所示，抑制焊接电流i的增加。同样，也抑制焊接电流i的减少。其结果，由于干扰而引起的波动状态被抑制。在上述中，说明了P(比例)控制误差放大信号ΔEr的情况，但也可使用惯用的PI(比例·积分)控制或者PID(比例·积分·微分)控制。

(第2实施方式)

本发明的实施方式2，在实施方式1中，设定短路期间中的电压控制设定值Ecr为与电压设定值Er相等的值，或者根据电压设定值Er限制于规定范围中的值。如上所述，在粗滴过渡或者喷射过渡焊接中也很少发生超过数ms的短路。在该短路期间中，由于电弧负载变化为短路负载，因此焊接电流增加。此时，如果本发明发挥作用，则可抑制焊接电流的增加。但是，焊接期间中，使焊接电流增加、尽早解除短路、使电弧再产生方的焊接状态稳定。因此，在实施方式2中，短路期间中大致禁止本发明的电流变化抑制控制。以下，参照附图详细地进行说明。

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，与上述图1相同的方框付与相同符号，并省略其说明。以下，对与图1不同的用虚线表示的模块进行说明。

短路判断电路SD，根据焊接电压v的值判断短路状态，为高电平时，判断为电弧，输出为低电平的短路判断信号Sd。第2误差放大值计算电路DER2，在上述短路判断信号Sd为低电平(电弧期间)时，放大焊接电流移动平均信号ira与焊接电流检测信号id之间的误差，输出误差放大信号ΔEr＝Gain·(ira-id)，在上述短路判断信号Sd为高电平(短路期间)时，输出误差放大信号ΔEr＝0或者小值的给定值。由此，大致禁止短路期间中的本发明的电流变化抑制控制。

图4是上述的图2中产生短路Ts时的上述焊接电源的各信号的时序图。该图(A)表示焊接电流i的时间变化，该图(B)表示焊接电压v的时间变化，该图(C)表示电压控制设定信号Ecr的时间变化。该图与上述的图2对应，除了短路期间Ts以外的动作以外都相同。以下，参照该图，对短路期间Ts的动作进行说明。

短路期间Ts中，如图(A)所示，焊接电流i增加，如图(B)所示，焊接电压v变为低值。由于根据该焊接电压v的值判断短路状态，误差放大信号ΔEr≈0，因此如图(C)所示，电压控制设定信号Ecr≈Er。由此，由于大致禁止本发明的电流变化抑制控制，因此如图(A)所示，焊接电流i的增加继续进行。其结果，短路被尽早解除，再产生电弧。

Claims (2)

1、一种焊接电源的输出控制方法，是在使用于从焊丝开始的熔滴过渡变为粗滴过渡或喷射过渡的电弧焊接中的、且在输出中设置了的电抗器的电感值为数百μH的大值的焊接电源中，控制输出以使所述焊接电源的输出电压和预先给定的电压设定值大致相等的焊接电源的输出控制方法，其特征在于，

检测焊接电流，移动平均该焊接电流检测值而算出焊接电流移动平均值，算出该焊接电流移动平均值和上述焊接电流检测值之间的误差放大值，将该误差放大值与上述电压设定值相加而算出电压控制设定值，控制输出以使该电压控制设定值与上述输出电压大致相等。

2、根据权利要求1所述的焊接电源的输出控制方法，其特征在于，

将产生焊丝与母材之间的短路的期间中的所述电压控制设定值设定为与所述电压设定值相等的值或距所述电压设定值限制为给定范围的值。

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