CN1830611B - 消耗电极电弧焊接的缩颈检测时电流控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种消耗电极电弧焊接的缩颈检测时电流控制方法，通过消耗电极/母材间的电压值(Vw)或者电阻值的变化对作为从短路状态(Ts)开始电弧再产生的前兆现象的粗滴的缩颈现象进行检测，如果检测出该缩颈现象，则使通电短路电荷的焊接电流(Iw)快速降低，维持为低缩颈电流值(Im)，如果电弧再产生，则在该时刻点或者从该时刻点经过给定延迟期间(Td)的时刻点，使焊接电流(Iw)从低缩颈电流值(Im)上升到高电弧电流值(Ih)，对电弧负载通电，从低缩颈电流值(Im)以减小熔池的振动的预先决定的斜率(S)，使焊接电流(Iw)上升到高电弧电流值(Ih)。由此，减少起因于熔池的振动的飞溅的产生。
Description
技术领域
本发明涉及在短路期间中检测出粗滴的缩颈现象后在电弧再产生之前快速降低焊接电流而降低产生飞溅的消耗电极电弧焊接的缩颈检测时电流控制方法。
背景技术
图5是重复短路期间Ts与电弧期间Ta的消耗电极电弧焊接中的电流·电压波形图以及粗滴过渡图。图(A)表示对消耗电极(以下称作焊丝1)通电的焊接电流Iw的时间变化，图(B)表示外加在供电芯片/母材2之间的焊接电压Vw的时间变化，图(C)～(E)表示粗滴1a的过渡的样子。以下，参照该图进行说明。
时刻t1～t3的短路期间Ts中，处于焊丝1前端的粗滴1a与母材2短路的状态，如图(A)所示，焊接电流Iw逐渐增加，如图(B)所示，由于焊接电压Vw处于短路状态，因此具有数V左右的低值。此外，如图(C)所示，在时刻t1，粗滴1a与母材2接触，进入短路状态。之后，如图(D)所示，由对粗滴1a进行通电的焊接电流Iw所引起的电磁的夹紧(pinch)力，在粗滴1a上部产生缩颈1b。而且，该缩颈1b急速进行，在时刻t3如图(E)所示，粗滴1a从焊丝1脱离到熔池2a，再次产生电弧3。
产生上述缩颈现象时，在数百μs左右的极短时间后，短路断开，再次产生电弧3。即该缩颈现象为短路断开的前兆现象。发生缩颈1b时，由于焊接电流Iw的通电路径在缩颈部分变窄，因此缩颈部分的电阻值增大。在缩颈部分进行时缩颈部分越窄，该电阻值的增大越大。从而，通过在短路期间Ts中检测出焊丝1/母材2之间的电阻值的变化，能够检测出缩颈现象的产生。该电阻值的变化，能够通过焊接电压Vw/焊接电流Iw计算出。另外，如上所述，由于缩颈产生期间为极短时间，因此如图(A)所示，该期间中的焊接电流Iw的变化较小。因此，代替电阻值的变化，而根据焊接电压Vw的变化也能够检测出缩颈现象的产生。作为具体的缩颈检测方法，通过计算出短路期间Ts中的电阻值或者焊接电压值Vw的变化率(微分值)，判断该变化率达到预先决定的缩颈检测基准值，而进行缩颈检测。另外，作为第2方法，如图(B)所示，计算出来自短路期间Ts中的缩颈产生前的自稳定的短路电压值Vs开始的电压上升值ΔV，在时刻t2，通过判断该电压上升值ΔV已达到预先决定的缩颈检测基准值Vtn，进行缩颈检测。在以下的说明中，对缩颈检测方法的第2方法的情况进行说明，但也可是第1方法、其他方法。时刻t3的电弧再产生的检测，通过判断焊接电压Vw处于短路/电弧判断值Vta以上而简单地进行。即Vw＜Vta的期间为短路期间Ts，Vw≥Vta的期间为电弧期间Ta。以下将从检测出时刻t2～t3的缩颈产生到电弧再产生为止的期间称作缩颈检测期间Tn。
接下来，在时刻t3，电弧再产生时，如图(A)所示，焊接电流Iw逐渐减小，如图(B)所示，焊接电压Vw变化为数+V左右的电弧电压值。该电弧期间Ta中，通过电弧热等熔融焊丝1的前端，形成粗滴1a，同时熔融母材2。一般来说，消耗电极电弧焊接中，使用恒压特性的焊接电源。伴随短路的消耗电极电弧焊接中，在焊接电流平均值(送丝速度)低时，成为短路过渡焊接，在高时成为粗滴过渡焊接。
在伴有短路的焊接中，在时刻t3，电弧3再产生时的电流值Ia大时，从电弧3到熔池2a的压力(电弧力)非常大，产生大量的飞溅。即与电弧再产生时的焊接电流值Ia大致成比例，增加飞溅产生量。从而，为了抑制飞溅的产生，需要减小电弧再产生时的焊接电流值Ia。作为用于此的方法，以往已提出了各种检测出上述缩颈现象的产生，快速降低焊接电流Iw，减小电弧再产生时的焊接电流值Ia的缩颈检测时电流控制方法。以下，对这些现有技术进行说明。
图6是应用现有技术的缩颈检测时电流控制方法的焊接电源的框图。在图中，省略有关送丝的框图。以下，参照该图，对各个框进行说明。
电源主电路MC，输入3相200V等的商业电源，根据后述的误差放大信号Ea进行变换器控制、可控硅相位控制等的输出控制，输出输出电压Vo以及焊接电流Iw。晶体管TR以及电阻器R的并联电路被插入到通电路中，如后所述，在缩颈检测时晶体管TR处于截止状态，通过电阻器R进行通电，通过这样使焊接电流Iw快速降低。焊丝1被恒速送给，在与母材2之间产生电弧3。
缩颈检测电路ND，输入焊接电压Vw，根据图5中上述的缩颈检测方法检测出缩颈，输出缩颈检测期间Tn中成为Low电平的缩颈检测信号Nd。驱动电路DR，只在该缩颈检测信号Nd为Low电平时，输出使晶体管TR处于截止状态的驱动信号Dr。即缩颈检测期间Tn中，由于将电阻器R插入到通电路中，因此通电路电阻值为十倍以上，焊接电流Iw快速降低。缩颈检测期间Tn以外的期间中，由于晶体管TR处于截止状态，因此电阻器R被短路，具有与通常的焊接电源相同的构成。
延迟期间设定电路TDR，输出预先决定的延迟期间设定信号Tdr。上升期间设定电路TUR，输出预先决定的上升期间设定信号Tur。低缩颈电流设定电路IMR，输出预先决定的低缩颈电流设定信号Imr。高电弧电流设定电路IHR，输出预先决定的高电弧电流设定信号Ihr。缩颈检测时电流控制电路NIC，将上述的各个设定信号Tdr、Tur、Imr、Ihr以及上述缩颈检测信号Nd作为输入，输出图7中后述的电源特性切换信号Sw以及电流设定信号Ir。
电压设定电路VR，输出预先决定的电压设定信号Vr。电流检测电路ID，对焊接电流Iw进行检测，输出电流检测信号Id。电压检测电路VD，对输出电压Vo进行检测，输出电压检测信号Vd。电压误差放大电路EV，将上述的电压设定信号Vr与上述的电压检测信号Vd之间的误差放大，输出电压误差放大信号Ev。电流误差放大电路EI，将上述的电流设定信号Ir与上述的电流检测信号Id之间的误差放大，输出电流误差放大信号Ei。电源特性切换电路SW，输入上述的电源特性切换信号Sw，在图7中后述的缩颈检测期间Tn+延迟期间Td+上升期间Tu中切换到b侧，将上述的电流误差放大信号Ei作为误差放大信号Ea输出，除此之外的期间中切换到a侧，将上述的电源误差放大信号Ev作为误差放大信号Ea输出。从而，切换到a侧的期间成为恒流特性期间，切换为b侧的期间为恒压特性期间。
图7是图6中上述的焊接电源中的各个信号的时序图。该图(A)表示焊接电流Iw的时间变化，该图(B)表示焊接电压Vw的时间变化，该图(C)表示缩颈检测信号Nd的时间变化，该图(D)表示电源特性切换信号Sw的时间变化，该图(E)表示电流设定信号Ir的时间变化。以下，参照该图，进行说明。
在该图中，除时刻t2～t5的恒流特性期间以外的期间，如上所述，成为恒压特性，此外由于晶体管TR处于导通状态，因此与图5中上述的通常的电流·电压波形相同。
在时刻t2中，如图(B)所示，如果电压上升值ΔV达到缩颈检测基准值Vtn，则如图(C)所示，缩颈检测信号Nd变为Low电平。与此对应，如图(D)所示，电源特性切换信号Sw变化为Low电平，电源特性切换为恒流特性。同时，由于晶体管TR处于截止状态，因此如图(A)所示，焊接电流Iw快速降低，维持低缩颈电流值Im。在时刻t3，如果电弧再产生，则如图(B)所示，由于焊接电压Vw达到短路/电弧判断值Vta，因此如图(C)所示，缩颈检测信号Nd变化为High电平。从该时刻t3的时刻点到时刻t4为止的预先决定延迟期间Td中，如图(E)所示，电流设定信号Ir根据低缩颈电流设定信号Imr维持为固定值。由此，如图(A)所示，焊接电流Iw维持低缩颈电流值Im。在时刻t3，电弧再产生时，由于焊接电流值为低缩颈电流值Im，因此粗滴脱离时的电弧力变弱，抑制飞溅的产生。还有，设置有从在时刻t3电弧再产生的时刻点到时刻t4为止的预先决定的延迟期间Td，该延迟期间Td中如图(E)所示，维持电流设定信号Ir＝Im。由此，产生粗滴向熔池过渡的影响所引起的熔池的振动。由于从熔池的振动产生后，接下来焊接电流Iw上升，因此电流变化所引起的电弧力的变化与焊接池的振动进行共振，也不能产生飞溅。该延迟期间Td往往依据焊接条件决定是否设置。延迟期间Td为0～1ms左右。
在时刻t4，如果延迟期间Td结束，则如图(E)所示，电流设定信号Ir变化为由预先决定的上升期间Tu中高电弧电流设定信号Ihr决定的值。如图(D)所示，在时刻t5之前由于电源特性切换信号Sw为Low电平，因此电源特性为恒电流特性。因此，如图(A)所示，焊接电流Iw急剧地上升，达到高电弧电流值Ih。在时刻t5中，如图(D)所示，如果电源特性切换信号Sw变化为High电平，则电源特性被切换为恒压特性。之后的动作与上述的图5相同，因此省略说明。(关于上述的现有技术，参照专利文献1、2)。
在上述的图7中，现有技术中，电弧再产生，从经过延迟期间Td的时刻t4时刻点开始使焊接电流Iw急剧上升。伴随该急剧的电流变化，电弧力急剧地变化。该结果，由于电弧力的急剧的变化，在熔池中产生大的振动，由该振动从熔池产生飞溅。还有，也会产生由该熔池的振动焊丝前端与熔池接触，达到再短路的情况。由于该再短路与通常的稳定的短路不同，为不稳定状态，因此容易产生飞溅。在应用上述的缩颈检测时电流控制方法的焊接电源中，具有用于该控制的特别的电路构成，且具有高价，因此需要成本均衡且大幅度的低飞溅。
专利文献1：特开昭59-206159号公报；
专利文献2：特公平4-4074号公报。
发明内容
在此，提供一种消耗电极电弧焊接的缩颈检测时的电流控制方法，其能够抑制起因于电弧再产生后的焊接电流的急剧上升所带来的飞溅。
为了解决上述课题，本发明之一消耗电极电弧焊接的缩颈检测时的电流控制方法，在消耗电极与母材之间重复电弧产生状态和短路状态的消耗电极电弧焊接中，通过消耗电极/母材间的电压值或者电阻值的变化，对从短路状态再产生电弧的前兆现象的粗滴缩颈现象进行检测，如果检测出该缩颈现象，则对短路负载通电的焊接电流快速降低而维持低缩颈电流值，如果电弧再产生，则该时刻点或者从该时刻点开始经过给定延迟期间的时刻点，使焊接电流从所述低缩颈电流值上升到高电弧电流值，而对电弧负载进行通电，其特征在于，
使焊接电流从所述低缩颈电流值上升到所述高电弧电流值时，按预先决定的斜率使焊接电流上升来减小熔池振动。
此外，本发明之二的消耗电极电弧焊接的缩颈检测时电流控制方法的特征在于，发明之一中所述的斜率在前半部分与后半部分为不同的值。
此外，本发明之三，根据本发明之二的消耗电极电弧焊接的缩颈检测时电流控制方法，其特征在于，在焊接电流平均值处于短路过渡的范围中时，将所述前半部分的斜率设定为比所述后半部分的斜率小的值。
此外，本发明之四，根据本发明之二的消耗电极电弧焊接的缩颈检测时电流控制方法，其特征在于，在焊接电流平均值处于粗滴过渡的范围中时，将所述前半部分的斜率设定为比所述后半部分的斜率大的值。
根据上述第1发明，在电弧再产生后，通过使从低缩颈电流值上升到高电弧电流值的焊接电流具有预先决定的斜率，使电弧力的变化柔和。由此，由于减小了电弧力所引起的熔池的振动，因此能够减少起因于熔池的振动所产生的飞溅。还有，由于减小熔池的振动，因此能够抑制电弧再产生之后的再短路的产生。
根据上述第2发明，除了上述效果之外，通过将前半部分的斜率和后半部分的斜率设定为不同的值，能够依据焊接条件将斜率的上升特性更优化。由此，能够进一步减少飞溅的产生。
根据上述第3发明，除了上述第1及第2发明的效果，通过在焊接电流平均值处于短路过渡区域的范围内时，将前半部分的斜率设定为比后半部分的斜率小的值，能够使电弧力的变化更柔和。由此，能够进一步减少飞溅的产生。
根据上述第4发明，除了上述第1及第2发明的效果，通过在焊接电流平均值处于测定过渡的范围中时，将前半部分的斜率设定为比后半部分的斜率大的值，能够同时实现焊丝熔融速度的增大以及电弧力的变化的柔和化。为了取得与快速的送丝速度之间的平衡，在前半部分增大焊接电流的斜率并增大焊丝熔融速度，同时减小后半部分的斜率并使电弧力的变化柔和化。其结果，能够谋求焊接状态的稳定化以及飞溅的产生的减少。
附图说明
图1是为用于实施有关本发明的实施方式1的消耗电极电弧焊接的缩颈检测时电流控制方法的焊接电源的框图。
图2是图1的焊接电源中的各个信号的时序图。
图3用于实施有关本发明的实施方式2的消耗电极电弧焊接的缩颈检测时电流控制方法的焊接电源的框图。
图4是图3的焊接电源中的各个信号的时序图。
图5是现有技术中的伴随短路的消耗电极电弧焊接中的电流/电压波形图。
图6现有技术中的用于实施消耗电极电弧焊接的缩颈检测时电流控制方法的焊接电源的框图。
图7是图6的焊接电源中的各个信号的时序图。
图中：
1-焊丝；1a-粗滴；1b-缩颈；2-母材；2a-熔池；3-电弧；DR-驱动电路；Dr-驱动信号；Ea-误差放大信号；EI-电流误差放大电路；Ei-电路误差放大信号；EV-电压误差放大电路；Ev-电压误差放大信号；FR-送丝速度设定电路；Fr-送丝速度设定信号；Ia-电弧再产生时的焊接电流值；ID-电流检测电路；Id-电流检测信号；Ih-高电弧电流值；IHR-高电弧电流设定电路；Ihr-高电弧电流设定信号；Im-低缩颈电流值；IMR-低缩颈电流设定电路；Imr-低缩颈电流设定信号；Ir-电流设定信号；Iw-焊接电流；L11～L22-斜率轨迹；MC-电源主电路；ND-缩颈检测电路；Nd-缩颈检测信号；NIC-缩颈检测时电流控制电路；NSC-缩颈检测时电流斜率控制电路；NSC2-第2缩颈检测时电流斜率控制电路；R-电阻器；S-斜率；SM-斜率轨迹存储电路；Sm-斜率轨迹存储信号；SR-斜率设定电路；Sr-斜率设定信号；SW-电源特性切换电路；Sw-电源特性切换信号；Ta-电弧期间；Td-延迟期间；TDR-延迟期间设定电路；Tdr-延迟期间设定信号；Tn-缩颈检测期间；TR-晶体管；Ts-短路期间；Tu-上升期间；TUR-上升期间设定电路；Tur-上升期间设定信号；VD-电压检测电路；Vd-电压检测信号；Vo-输出电压；VR-电压设定电路；Vr-电压设定信号；Vs-短路电压值；Vta-短路/电弧判断值；Vtn-缩颈检测基准值；Vw-焊接电压；ΔV-电压上升值。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
(实施方式1)
本发明的实施方式1是电弧再产生、经过延迟期间后的上升期间中的焊接电流的上升具有给定的斜率的实施方式。该斜率S的范围为20～100(A/100μs)左右。在图7中上述的现有技术中，虽然没有进行斜率S的控制，但电流上升由通电路的电感值以及电阻值决定的200(A/100μs)左右。以下，对实施方式1进行详细地说明。
图1为用于实施有关本发明的实施方式1的消耗电极电弧焊接的缩颈检测时电流控制方法的焊接电源的框图。该图中，与上述图6相同的框赋予相同的符号，并省略其说明。以下，对与图6不同的虚线所示的框进行说明。
斜率设定电路SR，输出预先决定的斜率设定信号Sr。缩颈检测时电流斜率控制电路NSC，将延迟期间设定信号Tdr、上升期间设定信号Tur、低缩颈电流设定信号Imr、高电弧电流设定信号Ihr、缩颈检测信号Nd以及上述斜率设定信号Sr作为输入，输出图2中后述的电源特性切换信号Sw以及电流设定信号Ir。
图2是图1的焊接电源中的各个信号的时序图。该图(A)表示焊接电流Iw的时间变化，该图(B)表示焊接电压Vw的时间变化，该图(C)表示缩颈检测信号Nd的时间变化，该图(D)表示电源特性切换信号Sw的时间变化，该图(E)表示电流设定信号Ir的时间变化。在该图中，由于除时刻t4～t5的上升期间Tu以外的动作与上述的图7相同，因此省略说明。以下，参照该图，对该上升期间Tu的动作进行说明。
在时刻t3，电弧再产生，在时刻t4延迟期间Td结束时，如图(E)所示，电流设定信号Ir从低缩颈电流设定信号Imr的值开始以斜率设定信号Sr决定的斜率上升，达到高电弧电流设定信号Ihr的值。与此对应，如图(A)所示，焊接电流Iw从低缩颈电流值Im开始以给定斜率S上升，在时刻t5达到高电弧电流值Ih。时刻t4～t5的上升期间Tu为0.2～2.0ms左右，低缩颈电流值Im为数十安培左右，高电弧电流值Ih为数百安培左右。
如上所述，由于使焊接电流Iw以给定斜率S上升，因此电弧力的变化不急剧而是比较柔和。因此，由于也抑制了电弧力所引起的熔池的振动，因此也能够低减起因于振动的飞溅的产生。
(实施方式2)
本发明的实施方式2，是电弧再产生，经过延迟期间后的上升期间中的斜率为前半部分与后半部分不同的值的实施方式。该斜率S以曲线状或折线状变化。以下，对实施方式2进行详细地说明。
图3是用于实施有关本发明的实施方式2的消耗电极电弧焊接的缩颈检测时电流控制方法的焊接电源的框图。该图中，与上述图1相同的框赋予相同的符号，并省略其说明。以下，对与图1不同的虚线所示的框进行说明。
斜率轨迹存储电路SM，输出图4中后述的预先决定的斜率轨迹存储信号Sm。送丝速度设定电路FR，输出设定焊丝1的送给速度的送丝速度设定信号Fr。第2缩颈检测时电流斜率控制电路NSC2，将延迟期间设定信号Tdr、上升期间设定信号Tur、低缩颈电流设定信号Imr、高电弧电流设定信号Ihr、缩颈检测信号Nd、上述斜率轨迹存储信号Sm以及上升送丝速度设定信号Fr作为输入，输出电源特性切换信号Sw以及图4中后述的电流设定信号Ir。
图3的焊接电源中的各个信号的时序图，与上述的图2相同。但是，不同点在于，时刻t4～t5的上升期间Tu中的焊接电流Iw的斜率S不恒定，而如图4所示那样，成为曲线状或折线状。图4是表示对时刻t2～t5的恒流特性期间中的经过时刻t的电流设定信号Ir的值的变化的图。在该图中，时刻t2～t3的缩颈检测期间Tn以及时刻t3～t4的延迟期间Td中，电流设定信号Ir＝Imr(低缩颈电流设定值)。接着，时刻t4～t5的上升期间Tu中，电流设定信号Ir成为轨迹特性L11～L22等的曲线状或折线状。通过这样，使斜率在上升期间Tu中的前半部分与后半部分中变化。上升的轨迹，预先存储在上述的斜率轨迹存储电路SM中。并且，通过送丝速度设定信号Fr的值即焊接电流平均值等切换为适当的轨迹。优选轨迹也能根据焊接法、焊接速度、焊接接头、母材材质等切换。
送丝速度(焊接电流平均值)低且处于短路过渡区域时，使用曲线L11或者折线L12。上述线，上升期间Tu的前半部分的斜率小、后半部分的斜率大。通过这样，能够使电弧力的变化进一步柔和，能够进一步抑制熔池的振动。由此，能够进一步抑制起因于熔池的振动的飞溅。
送丝速度(焊接电流平均值)高且处于粗滴过渡区域中时，使用曲线L21或者折线L22。上述线，上升期间Tu的前半部分的斜率大、后半部分的斜率小。在送丝速度快时，需要增大电弧产生期间中的焊接电流值并加快焊丝熔融速度。由此，上升期间Tu的前半部分的斜率变大，焊接电流Iw早期增大并加快焊丝熔融速度，同时后半部分的斜率减小，使电弧力的变化柔和化。根据上述情况，加快焊丝熔融速度并使焊接状态稳定化，且能够抑制熔池的振动，抑制飞溅的产生。
在上述的实施方式1～2中，延迟期间Td也可设置与现有技术不同。本发明，能够适用于铁钢、铝、不锈钢等的焊接中。此外，本发明也能适用于伴随短路的喷射过渡焊接中。
Claims (3)
1.一种消耗电极电弧焊接的缩颈检测时电流控制方法，在消耗电极与母材之间重复电弧产生状态和短路状态的消耗电极电弧焊接中，通过消耗电极/母材间的电压值或者电阻值的变化，从短路状态开始，对再产生电弧的前兆现象的熔滴缩颈现象进行检测，如果检测出该缩颈现象时，则对短路负载通电的焊接电流快速降低而维持低缩颈电流值，如果电弧再产生，则该时刻点或者从该时刻点开始经过给定延迟期间后的时刻点，使焊接电流从所述低缩颈电流值上升到高电弧电流值，并对电弧负载进行通电，其特征在于，
使焊接电流从所述低缩颈电流值上升到所述高电弧电流值时，按预先决定的斜率使焊接电流上升来减小熔池振动，
根据熔滴过渡形态，将所述斜率在前半部分与后半部分设定为不同的值。
2.根据权利要求1所述的消耗电极电弧焊接的缩颈检测时电流控制方法，其特征在于，
在焊接电流平均值处于短路过渡区的范围中时，将所述前半部分的斜率设定为比所述后半部分的斜率小的值。
3.根据权利要求1所述的消耗电极电弧焊接的缩颈检测时电流控制方法，其特征在于，
在焊接电流平均值处于粗滴过渡区的范围中时，将所述前半部分的斜率设定为比所述后半部分的斜率大的值。
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