CN1931499B - 熔化电极电弧焊接的缩颈检测控制方法 - Google Patents

Abstract

一种熔化电极电弧焊接的缩颈检测控制方法。该方法，通过熔化电极与母材间的电阻值的变化(Δr)达到预定的缩颈检测基准值(rt)而检测出作为从短路状态(Ts)开始到再次产生电弧的前兆现象的熔滴缩颈现象，在检测出该缩颈现象(Nd＝High)时，进行输出控制，以使对短路负载通电的焊接电流(Iw)骤减，在低电流值的状态下再次产生电弧，其中，计算出上述短路状态(Ts)中的焊接电流(Iw)的微分值，通过从上述缩颈检测基准值(rt)中减去该电流微分值(dIw/dt)后的缩颈检测基准计算值(rtc)而检测出缩颈。从而，能够检测出熔滴的缩颈，在电弧再次产生之前使焊接电流骤减而削减飞溅，提高缩颈检测精度。

Description

熔化电极电弧焊接的缩颈检测控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测短路期间中的熔滴的缩颈现象并使焊接电流骤减而提高焊接品质的熔化电极电弧焊接的缩颈检测控制方法。

背景技术

图4是表示重复短路期间Ts与电弧期间Ta的熔化电极电弧焊接的缩颈检测控制方法的波形图。该图(A)表示熔滴的缩颈检测信号Nd的时间变化，该图(B)表示焊接电压Vw的时间变化，该图(C)表示焊接电流Iw的时间变化，该图(D)表示熔滴部的电阻值的变化率Δr＝dr/dt的时间变化，该图(E1)～(E3)表示熔滴的过渡状态。图4为使用可控硅(thyristor)相位控制焊接电源的情况，如图(B)以及(C)所示，在焊接电压Vw以及焊接电流Iw上叠加具有全波整流控制时的商用频率(50Hz或60Hz)的六倍的频率的大波动(ripple)。以下，参照该图进行说明。

在时刻t1～t2的电弧期间Ta中，如图(B)所示，焊接电压Vw为数十伏的电弧电压值，如图(C)所示，焊接电流Iw为与送丝速度对应的平均电流值。

在时刻t2中，如图(E1)所示，在电弧期间Ta中，形成在焊丝1的前端的熔滴1a与母材2接触后，开始短路期间Ts。短路期间Ts开始后，如图(B)所示，焊接电压Vw变为数伏的短路电压值，如图(C)所示，焊接电流Iw随着时间而增加。该电流通电所引起的电磁的收缩力作用于熔滴1a，如图(E2)所示，在熔滴1a中产生缩颈部1b。该缩颈部1b继续进展，如图(E3)所示，熔滴1a过渡到熔池2a，在时刻t3再次产生电弧3。从而，缩颈1b的产生是电弧再次产生的前兆现象，多在从缩颈1b产生到数百μs后再次产生电弧。

如上所述，缩颈1b产生时，由于焊接电流Iw的通电路径在缩颈部分1b中变窄，因此通电路径的电阻值r变大。该电阻值r随着缩颈1b的进展而急速变大。图(D)表示该电阻值的变化率Δr＝dr/dt＝d(Vw/Iw)/dt的波形。随着缩颈1b的进展，电阻值变化率Δr急剧上升。如果将该值Δr超过预定的缩颈检测基准值rt的时刻判断为时刻t21，则如图(A)所示，缩颈检测信号Nd变为高电平。与此对应，如图(C)所示，使焊接电流值Iw骤减。关于用于该骤减的特别的电路，在图5中后述。并且，在时刻t3中，由于电弧产生的时刻的焊接电流值Iw为低值，因此飞溅的产生大幅减少。这是因为飞溅几乎在电弧再次产生时产生，其产生量与电弧再次产生时的电流值的大小成比例的缘故。从而，熔化电极电弧焊接的缩颈检测控制方法，是指通过短路期间中的电阻值变化率Δr检测出缩颈1b的进展，使焊接电流Iw骤减，使电弧再次产生时的电流值成为低值，使飞溅产生大幅减少的方法。上述的缩颈检测信号Nd，在从时刻t21的缩颈检测时刻到时刻t3的电弧再次产生时刻为止的缩颈检测时间Tn之间为高电平。

图5为采用上述的缩颈检测控制方法的焊接装置的框图。焊接电源PS为一般的熔化电极电弧焊接用的可控硅相位控制焊接电源。晶体管TR串联插入到输出中，与电阻器R并联连接。该电阻器R的电阻值被设定为短路期间的负载电阻值的数十mΩ10倍以上的值。晶体管TR，在上述的图4(A)中，缩颈检测信号Nd只在高电平的期间(缩颈检测时间Tn)处于中断状态，将电阻器R插入到电流通电路径中。缩颈检测时间Tn中，在焊接电源的输出停止的状态下插入电阻器R后，通电路径的电阻值增大为10倍以上，因此电源内部的大电抗器中蓄积的能量被迅速放电，焊接电流Iw迅速减小。

电源检测电路VD，检测出焊接电压Vw输出电压检测信号Vd。电流检测电路ID，检测出焊接电流Iw输出电流检测信号Id。电阻值变化率计算电路ΔR，将这些电压检测信号Vd以及电流检测信号Id作为输入，计算电阻值变化率信号Δr＝d(Vd/Id)/dt。缩颈检测电路ND，对该电阻值变化率信号Δr和预定的缩颈检测基准值rt进行比较，在Δr＞rt时，输出成为高电平的缩颈检测信号Nd。驱动电路DR，将该缩颈检测信号Nd作为输入，在缩颈检测信号Nd为低电平时，输出上述的晶体管TR变为导通状态的驱动信号Dr。晶体管TR处于导通状态时，电阻器R被短路，因此只进行焊接电源PS的通常的动作。

在上述的缩颈检测控制方法中，正确地检测出缩颈地产生是比较重要的。决定该缩颈检测的精度的重要的原因之一是，上述的缩颈检测基准值rt是否被设定为适当值。缩颈检测基准值rt的适当值，根据焊接方式、焊丝的种类、送丝速度等的焊接条件而变化。因此，需要预先根据各种焊接条件的每一种进行焊接试验，预先求出该适当值。以往，提出了一种自动进行该缩颈检测基准值rt的设定的方法。在该现有技术中，按照图4(A)中所述的缩颈检测时间Tn变为给定值的方式，使缩颈检测基准值rt变化并进行自动设定。如果缩颈检测时间Tn变地过短，则在焊接电流Iw没有下降到低值期间之前再次产生电弧，减小飞溅削减效果。反过来，如果缩颈检测时间Tn变地过长，则缩颈检测的误检测的可能性变大，在该状态下如果使电流急速减小，则反而焊接状态变为不稳定。从而，缩颈检测时间Tn变为适当值(数百μs)，由于也没有缩颈检测的误检测，电弧再次产生时的电流值也变低，因此飞溅大幅减少。关于上述的现有技术，参照专利文献1～2。

如上述的图4(D)所示，在时刻t21中缩颈检测信号Nd变为高电平之前的电阻值变化率Δr的上升曲线P1，受如图(C)所示的焊接电流Iw的变化曲线P2的影响较大。这是因为上升曲线P1随着缩颈的进展而上升，缩颈因通电电流值而其进展速度受较大影响。电流变化曲线P2的增加率越大，缩颈的进展速度越快，上升曲线P1快速上升。反过来，如果电流变化曲线P2的增加率变为负(减少)，则缩颈的进展速度变慢，上升曲线P1缓慢上升。根据现有技术，即使按照缩颈检测时间Tn变为适当值的方式设定缩颈检测基准值rt，也受缩颈产生时的焊接电流Iw的变化的影响而使缩颈检测时间Tn产生偏差。这是因为，在现有技术中，虽然根据上一次的短路期间的缩颈检测时间Tn决定缩颈检测基准值rt，但受这次短路期间中的电流变化的影响，而缩颈检测时间Tn变化的缘故。该短路期间中的焊接电流的变化，即使在逆变器控制焊接电源中也会产生，但尤其在波动大的可控硅相位控制焊接电源中变大。从而，存在尤其在可控硅相位控制焊接电源中，缩颈检测时间Tn的偏差变大，飞溅削减效果变小的问题。

图6是表示随着上述的焊接电流的变化的缩颈检测时间Tn的偏差的波形图。该图与上述的图4对应。如图(C)所示，由于缩颈产生时的电流变化曲线P4的增加率变大，因此如图(D)所示，电阻值变化率Δr的上升曲线P3的增加率变大。因此，在电阻值变化率Δr达到缩颈检测基准值rt之后，电弧再次产生。其结果，如图(C)所示，使焊接电流Iw急剧减小的时间变短，不能减少飞溅。反过来，缩颈产生时的电流变化处于减少状态时，缩颈检测时间Tn变地过长，则会产生焊接状态不稳定的情况。

专利文献1：特开昭59-206159号公报；

专利文献2：特开平1-205875号公报。

发明内容

在此，本发明的目的在于提供一种能够不受缩颈产生时的电流变化的影响，进行正确的缩颈检测的熔化电极电弧焊接的缩颈检测控制方法。

为了解决上述课题，第1发明的熔化电极电弧焊接的缩颈检测控制方法，在熔化电极与母材之间重复电弧产生状态和短路状态的熔化电极电弧焊接中，通过熔化电极与母材间的电阻值的变化达到预定的缩颈检测基准值而检测出作为从短路状态开始再次产生电弧的前兆现象的熔滴缩颈现象，检测出该缩颈现象时，进行输出控制以使对短路负载通电的焊接电流骤减，在低电流值的状态下再次产生电弧，按照所述短路状态中的所述焊接电流的变化率对所述缩颈检测基准值进行修正。

此外，第2发明的熔化电极电弧焊接的缩颈检测控制方法，其特征在于，第1发明所述的缩颈检测基准值的修正如下进行：对所述焊接电流进行微分而计算出电流微分值，从所述缩颈检测基准值减去该电流微分值。

(发明效果)

根据上述的本发明，通过将用于检测缩颈的缩颈检测基准值按照焊接电流的变化率进行修正，能够补偿因缩颈产生时的焊接电流的变化而引起的缩颈检测精度的降低，实现高精度的缩颈检测。因此，在适用于焊接电流的变化(波动)大的可控硅相位控制电源的情况下，能够实现缩颈检测精度很大的提高。如果提高缩颈检测精度，则能够可靠地使电弧再次产生时的电流值变为较低值，因此大幅度地减少飞溅而很大地提高焊接品质。

附图说明

图1为表示本发明的实施方式相关的熔化电极电弧焊接的缩颈检测控制方法的波形图。

图2为表示本发明的实施方式相关的熔化电极电弧焊接的缩颈检测控制方法的与图1不同的波形图。

图3为用于实施本发明的实施方式相关的熔化电极电弧焊接的缩颈检测控制方法的焊接装置的框图。

图4为表示现有技术的熔化电极电弧焊接的缩颈检测控制方法的波形图。

图5为用于实施现有技术的熔化电极电弧焊接的缩颈检测控制方法的焊接装置的框图。

图6为表示现有技术的课题的波形图。

图中：1-焊丝；1a-熔滴；1b-缩颈；2-母材；2a-熔池；3-电弧；BI-电流微分电路；Bi-电流微分信号；DR-驱动电路；Dr-驱动信号；G-放大率；ID-电流检测电路；Id-电流检测信号；Iw-焊接电流；ND-缩颈检测电路；Nd-缩颈检测信号；P1、P3-上升曲线；P2、P4-电流变化曲线；PS-焊接电源；R-电阻器；r-熔化电极与母材间的电阻值；rt-缩颈检测基准值；RTC-缩颈检测基准计算电路；rtc-缩颈检测基准计算值(信号)；Ta-电弧期间；Tn-缩颈检测时间；TR-晶体管；Ts-短路期间；VD-电压检测电路；Vd-电压检测信号；Vw-焊接电压；ΔR-电阻值变化率计算电路；Δr-电阻值变化率(信号)。

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。

图1是表示本发明的实施方式相关的熔化电极电弧焊接的缩颈检测控制方法的波形图，其中，图(A)表示缩颈检测信号Nd的时间变化，图(B)表示焊接电压Vw的时间变化，图(C)表示焊接电流Iw的时间变化，图(D)表示电阻值变化率Δr以及缩颈检测基准计算值rtc的时间变化。对该图中所述的与上述图4不同的点进行说明。

该图(D)所示的缩颈检测基准计算值rtc，由rtc＝rt-G·(dIw/dt)算出。在此，rt为预定的缩颈检测基准值，dIw/dt为焊接电流Iw的微分值，G为正的放大率。如图(D)所示，如果产生缩颈，则电阻值变化率Δr上升。此时，如图(C)所示，焊接电流Iw的变化为增加方向，因此电流微分值G·(dIw/dt)＞0，缩颈检测基准计算值rtc＜rt。即缩颈检测电平变低。其结果，在时刻t21，如图(A)所示，缩颈检测信号Nd变为高电平。与此对应，如图(C)所示，焊接电流Iw骤减，电弧再次产生时的电流值变低。该图与上述的图6时同样，为缩颈产生时的焊接电流Iw变大并增加的情况，但本实施方式能够正确地进行缩颈检测。

图2是与上述图1不同、缩颈产生时的电流变化处于减少状态时的波形图。如图(C)所示，缩颈产生时的焊接电流Iw的变化，与图1不同，为减小方向。因此，电流微分值G·(dIw/dt)＜0，如该图(D)所示，缩颈检测基准计算值rtc＞rt。如上所述，在焊接电流Iw的变化方向为减小方向时，缩颈的进展速度也变慢。因此，通过缩颈检测基准计算值rtc比缩颈检测基准值rt高，从而使缩颈检测定时延迟，缩颈检测时间Tn大致变为适当值。

如图1以及图2所示，通过根据缩颈产生时的焊接电流Iw的变化率修正缩颈检测基准计算值，能够不受焊接电流Iw的变化的影响而始终进行正确的缩颈检测。这是因为，图1及图2的缩颈检测时间Tn，与电流变化不同无关而大致为定值的缘故，从而可知，该结果可大幅减少飞溅的产生而进行高品质焊接。

图3是用于实施上述的熔化电极电弧焊接的缩颈检测控制方法的焊接装置的框图。在该图中，与上述图5相同的方框中赋予相同符号，并省略其说明。以下，对与图5不同的、虚线所示的方框进行说明。

电流微分电路BI，对电流检测信号Id进行微分，输出电流微分信号Bi＝G·(dIw/dt)。在此，G为预定的正放大率。缩颈检测基准计算电路RTC，从预定的缩颈检测基准值rt减去该电流微分信号Bi，输出缩颈检测基准计算值信号rtc＝rt-Bi。将该缩颈检测基准计算值信号rtc作为阈值，进行缩颈检测。

在上述中，通过缩颈产生时的电流变化率对缩颈检测基准计算值进行修正的方法中，例示了减去电流微分信号的方法。除此之外，也可为根据该值将电流变化率分为多段，预定与该多段对应的缩颈检测基准计算值的方法。

Claims (1)

1.一种熔化电极电弧焊接的缩颈检测控制方法，在熔化电极与母材之间重复电弧产生状态和短路状态的熔化电极电弧焊接中，通过熔化电极/母材间的电阻值的变化达到预定的缩颈检测基准值，而检测出作为从短路状态开始再次产生电弧的前兆现象的熔滴的缩颈现象，如果检测出该缩颈现象，则按照使对短路负载通电的焊接电流骤减而在低电流值的状态下再次产生电弧的方式进行输出控制，特征在于，

通过对所述短路状态中的所述焊接电流进行微分而算出电流微分值，并从所述缩颈检测基准值减去该电流微分值，来对所述缩颈检测基准值进行修正。

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