專利名稱：具有短路電弧熔滴控制功能的焊機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種具有短路電弧熔滴控制功能的焊機。
背景技術(shù)：
熔化極氣體保護電弧焊(GMAW)是ー種表面堆焊方式，將ー種或者多種金屬材料，通過焊接或者釬焊的手段，連接在一起。焊接過程中，需要提供外加保護氣體氛圍，填充的材料可以是絲狀或者帯狀金屬。焊接電源的作用是將填充材料按照要求進行持續(xù)熔化。焊接過程包括兩個時間區(qū)間電弧燃燒區(qū)間和短路區(qū)間。在電弧燃燒區(qū)間，隨著電弧的熱量作用，填充材料不斷的熔化，形成熔滴。隨著填充材料持續(xù)不斷的往エ件移動，熔滴越來越大。最后，熔滴和焊接熔池接觸，形成短路，進入短路區(qū)間。短路導(dǎo)致電流迅速増大，増大的電流將導(dǎo)致短路的液態(tài)金屬連接橋斷開，電弧將再次點燃，回到電弧燃燒區(qū)間。在短路區(qū)間，液態(tài)金屬完成了從焊絲末端到エ件的轉(zhuǎn)移，并且在此區(qū)間由于大電流的作用，產(chǎn)生了大量的能量，并且重新引弧的時機是完全隨機的。在短路區(qū)間最后瞬間，時常會出現(xiàn)了瞬時的高電流和高電壓同時并存的情況，導(dǎo)致焊接出現(xiàn)不希望有的飛濺，飛濺主要發(fā)生在液態(tài)金屬段路橋斷開到電弧重新引燃的瞬間。

發(fā)明內(nèi)容
目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供ー種具有短路電弧熔滴控制功能的焊機，解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，減少焊接過程中液態(tài)金屬的飛濺，增強了操作的安全性,降低成本,提高生產(chǎn)效率。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為
ー種具有短路電弧熔滴控制功能的焊機，包括逆變焊接電源模塊、焊接件、逆變器控制部件、反向電壓源、反向電壓源控制部件、電壓傳感器、電流傳感器、參數(shù)設(shè)定裝置；
所述逆變焊接電源模塊與焊接件相連構(gòu)成焊接回路，所述逆變器控制部件與逆變焊接電源模塊相連用于控制焊接電源的輸出，所述反向電壓源通過反向電壓源控制部件控制可與焊接件串聯(lián)接入焊接回路；所述電壓傳感器與焊接件并聯(lián)，用于測量焊接電壓瞬時值，電流傳感器與焊接件串聯(lián)，用于測量焊接電流瞬時值；所述參數(shù)設(shè)定裝置與反向電壓源控制部件相連，用于給定焊接過程中電流和電壓的設(shè)定值；所述電壓傳感器，電流傳感器均分別同時與逆變器控制部件、反向電壓源控制部件相連，所述逆變焊接電源模塊、逆變器控制部件和反向電壓源控制部件相互連接通過Syn信號同歩。所述逆變焊接電源模塊包括與供電電源相連的逆變器，所述逆變器為PWM脈沖寬度調(diào)制方式的逆變器。所述焊接件包括焊接電極和エ件；所述逆變焊接電源模塊，兩端分別與焊接電極和エ件相連構(gòu)成焊接回路。所述逆變焊接電源模塊，為從電網(wǎng)獲得的供電電源，經(jīng)過三相整流橋和同步時鐘Syn同步工作的PWM (脈沖寬度調(diào)制)逆變回路，給逆變器提供輸入，逆變器的次級經(jīng)過整流后輸出兩端分別與焊接電極和エ件相連，提供焊接需要的電流電壓。所述逆變焊接電源模塊與焊接電極之間，依次串聯(lián)有平波電抗器和線路等效電感。所述エ件與逆變焊接電源模塊之間串聯(lián)有電流傳感器，所述電流傳感器一路通過第一開關(guān)直接與エ件連接，另一路通過相串聯(lián)的反向電壓源和第二開關(guān)與エ件連接；所述第一開關(guān)和第二開關(guān)由反向電壓源控制部件控制開關(guān)。所述第一開關(guān)和第二開關(guān)為IGBT或MOSFET。所述電壓傳感器，用于測量焊接電壓瞬時值中有代表性的電壓值。所述電流傳感器，用于測量焊接電流瞬時值中有代表性的電流值。所述逆變器控制部件、反向電壓源控制部件和參數(shù)設(shè)定裝置中安裝有微控制器或DSP (數(shù)字信號處理)控制器。有益效果本發(fā)明提供的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機，采用了與逆變器觸發(fā)頻率的脈沖信號同步的采樣頻率來采樣，得到的焊接電壓瞬時值是非常真實有效地，同時利用此信號來觸發(fā)反向電壓源的開通時機就和實際焊接短路區(qū)間的時間點更加接近，電流降低的時機越準(zhǔn)確，下降的幅度越恰當(dāng)，焊接的飛濺就能越好的被控制??；在短路區(qū)間里，當(dāng)焊接電流和焊接電壓出現(xiàn)短路橋斷開的典型值時，將焊接的電流和電壓驟降，從而控制飛濺時的能量輸入，從而減少焊接過程中液態(tài)金屬的飛濺，增強了操作的安全性，降低成本，提聞生廣效率。


圖1為本發(fā)明的電路示意 圖2為現(xiàn)有技術(shù)的焊接的兩個區(qū)間對應(yīng)的焊接電壓U和焊接電流I的曲線 圖3是本發(fā)明焊接的兩個區(qū)間對應(yīng)的焊接電壓U和焊接電流I的曲線 圖4為本發(fā)明中逆變器輸出的電壓Uinv波形圖。圖中逆變焊接電源1，逆變器控制部件2，第一開關(guān)3，第二開關(guān)4，反向電壓源5，反向電壓源控制部件6，平波電抗器7，線路等效電感8，焊接電極9，エ件10，電壓傳感器11，電流傳感器12，參數(shù)設(shè)定裝置13。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進ー步的說明。如圖1所示，為ー種具有短路電弧熔滴控制功能的焊機，包括逆變焊接電源模塊1、焊接件、逆變器控制部件2、反向電壓源5、反向電壓源控制部件6、電壓傳感器11、電流傳感器12、參數(shù)設(shè)定裝置13 ;所述逆變焊接電源模塊I與焊接件相連構(gòu)成焊接回路，所述逆變器控制部件2與逆變焊接電源模塊I相連用于控制焊接電源的輸出，所述反向電壓源5通過反向電壓源控制部件6控制可與焊接件串聯(lián)接入焊接回路；所述電壓傳感器11與焊接件并聯(lián)，用于測量焊接電壓瞬時值，電流傳感器12與焊接件串聯(lián)，用于測量焊接電流瞬時值；所述參數(shù)設(shè)定裝置13與反向電壓源控制部件6相連，用于給定焊接過程中電流和電壓的設(shè)定值；所述電壓傳感器11，電流傳感器12均分別同時與逆變器控制部件2、反向電壓源控制部件6相連，所述逆變焊接電源模塊1、逆變器控制部件2和反向電壓源控制部件6相互連接通過Syn信號同歩。所述逆變焊接電源模塊I包括與供電電源相連的逆變器，所述逆變器為PWM脈沖寬度調(diào)制方式的逆變器。所述焊接件包括焊接電極9和エ件10 ;所述逆變焊接電源模塊1，兩端分別與焊接電極9和エ件10相連構(gòu)成焊接回路。所述逆變焊接電源模塊I,為從電網(wǎng)獲得的供電電源,經(jīng)過三相整流橋和同步時鐘Syn同步工作的PWM脈沖寬度調(diào)制逆變回路，給逆變器提供輸入，逆變器的次級經(jīng)過整流后輸出兩端分別與焊接電極9和エ件10相連，提供焊接需要的電流電壓。所述逆變焊接電源模塊I與焊接電極9之間，依次串聯(lián)有平波電抗器7和線路等效電感8。所述エ件10與逆變焊接電源模塊I之間串聯(lián)有電流傳感器12，所述電流傳感器12 —路通過第一開關(guān)3直接與エ件10連接，另一路通過相串聯(lián)的反向電壓源5和第二開關(guān)4與エ件10連接；所述第一開關(guān)3和第二開關(guān)4由反向電壓源控制部件6控制開關(guān)。所述第一開關(guān)3和第二開關(guān)4為IGBT或MOSFET。所述電壓傳感器11，用于測量焊接電壓瞬時值中有代表性的電壓值。所述電流傳感器12，用于測量焊接電流瞬時值中有代表性的電流值。所述逆變器控制部件2、反向電壓源控制部件6和參數(shù)設(shè)定裝置13中安裝有微控制器或DSP控制器。本發(fā)明提供的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機，從電網(wǎng)輸入的交流電通過逆變 器轉(zhuǎn)換，一端輸出給第一開關(guān)3直接與エ件10，組成第一個焊接電流回路，和逆變器另一端相連的是一個由平波電抗器7，線路等效電感8和焊接電極9構(gòu)成的第二個焊接電流回路，平波電抗器7和線路等效電感8產(chǎn)生的電流沖擊通過逆變焊接電源模塊I內(nèi)部的續(xù)流ニ極管來釋放。另ー個電流回路是由反向電壓源控制部件6控制的反向電壓源5，可以在滿足第一個預(yù)設(shè)條件時，將反向電壓源電壓源串聯(lián)到電流回路，滿足第二個預(yù)設(shè)條件時，將反向電壓源從焊接回路中斷開。逆變焊接電源模塊1、逆變器控制部件2和逆變器三者工作通過Syn信號同歩。電壓傳感器11負責(zé)采集焊接電壓，電流傳感器12負責(zé)采集焊接電流；采集的電流電壓分別傳遞給逆變器控制部件2和反向電壓源控制部件6，參數(shù)設(shè)定裝置(13)負責(zé)給定焊接過程中的第一預(yù)設(shè)條件和第二預(yù)設(shè)條件。エ件10所連的為負極，我們將エ件10上的電壓作為基準(zhǔn)電平來進行參照。電流回路可串聯(lián)ー個反向電壓源5為直流電壓源，極性如圖所示，用+，-來標(biāo)示?？梢愿鶕?jù)需要通過第一開關(guān)3和第二開關(guān)4將反向電壓源5連接到電流回路。第一開關(guān)3和第二開關(guān)4為互鎖的開關(guān)，反向電壓源5可以通過這對互鎖的開關(guān)來實現(xiàn)切換，接入到電流回路或是被旁路。當(dāng)需要接入反向電壓源5時，第一開關(guān)3斷開，同時第二開關(guān)4閉合。相対的，不需要接入反向電壓源5時，第一開關(guān)3閉合，同時第二開關(guān)4斷開，橋接掉反向電壓源5。參數(shù)設(shè)定裝置13，用于給定電流和電壓的設(shè)定值設(shè)定電壓US set，和設(shè)定電流IS set，兩個給定值的大小是通過外部的操作指令獲得的，這兩個值同焊絲直徑，焊絲類型，保護氣種類以及所用的焊接方式相關(guān)。當(dāng)在此焊接回路中，逆變器的輸出電壓Uinv處在ー個很低的水平，同時焊接電流呈現(xiàn)鋸齒波上升趨勢時，通過反向電壓源控制部件6的控制將另ー個反向電壓源5串聯(lián)到焊接回路，焊接過程中，通過電壓傳感器11和電流傳感器12實時采樣焊接電壓電流的典型值曲線，獲得并存儲與逆變器的觸發(fā)頻率同步的焊接電壓的瞬時值。逆變器的輸出電流是可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)的，逆變器在焊接的兩個區(qū)間里，電壓特性、功率輸出特性、阻抗特性是可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)的，逆變器在焊接的兩個區(qū)間里，可以工作在不同的控制類型。當(dāng)焊接過程出現(xiàn)第一個預(yù)設(shè)條件，控制系統(tǒng)將反向電壓源接入到電流回路；當(dāng)出現(xiàn)第二個預(yù)設(shè)條件，控制系統(tǒng)將會將反向電壓源從焊接電流回路中斷開。在逆變器電壓的輸出觸發(fā)期間tl中，可測得有代表性的焊接過程電壓的瞬時值Utl ;在逆變器電壓的輸出停止期間t2中，可測得有代表性的焊接過程電壓的瞬時值Ut2。第一個預(yù)設(shè)條件、第二預(yù)設(shè)條件可以同以下參數(shù)中的ー個或幾個相關(guān)焊接電流的瞬時值、焊接電流&焊接電壓瞬時值的乘積、焊接電流&焊接電壓瞬時值的比值、逆變器電壓輸出觸發(fā)期間的焊接電壓瞬時值Utl、逆變器電壓輸出停止期間的焊接電壓瞬時值Ut2、焊接的過程參數(shù)，例如光輻射，聲場變化，電場變化以及磁場變化；在此，第一個預(yù)設(shè)條件和第二個預(yù)設(shè)條件的判斷和執(zhí)行，可以通過控制部分的程序軟件的方式來實現(xiàn)。焊接電壓的瞬時值采集數(shù)據(jù)分為兩個變量，第一個變量是，通過逆變器的觸發(fā)同步脈沖，可以準(zhǔn)確的獲得逆變器輸出停頓時間t2的實時焊接電壓值。另ー個的變量是，通過逆變器的觸發(fā)同步脈沖，獲得逆變器觸發(fā)時刻tl的實時焊接電壓值。通過監(jiān)測以上兩個變量。當(dāng)測量電壓的瞬時值出現(xiàn)了預(yù)先定義好的條件(“反向電壓源的觸發(fā)條件”)，反向電壓源接入電流回路。預(yù)先定義的條件需要根據(jù)エ藝環(huán)境來確定。焊接過程中的其他的電流電壓特征作為從屬參數(shù)，作為評判的參考依據(jù)。本發(fā)明ー個最有利的地方，就是顯著降低了焊接的飛濺。反向電壓源的輸出可調(diào)幅值范圍控制在OV到反向電壓源的輸出能力的上限。通過控制反向電壓源的幅值，可以對焊接電流突變的變化率di/dt起到效果，從而達到最大程度的減少焊接飛濺。同時還規(guī)定，反向電壓源的開通條件可以按照序列和統(tǒng)計得到一個觸發(fā)條件的集合。當(dāng)?shù)诙€觸發(fā)條件(“熔滴過渡結(jié)束”)滿足時，反向電壓源的從電流回路斷開。本觸發(fā)條件和電流的值直接相關(guān)。將焊接電流的尖峰過程結(jié)束作為判斷依據(jù)。同吋，焊接電流和焊接電壓的乘積和比值也可以作為判斷的依據(jù)。事實上，其他焊接參數(shù)，例如焊接電弧的亮度變化，焊接過程的音波變化，焊接電弧的電場和磁場變化也可以作為關(guān)聯(lián)參數(shù)考慮進來。為了及時準(zhǔn)確判斷“反向電壓源的觸發(fā)條件”，可以采用了以下判斷方法持續(xù)比較兩個測量值，當(dāng)兩個值之間的差值超過預(yù)定值，可以認為條件達到。另外ー種觸發(fā)方式為我們可以從實時測量的焊接電壓中獲得焊接電壓的真實值，將此真實值和給定的短路的典型電壓特征值進行比較，作為依據(jù)。同時，對以上兩種判斷方式，都可以指定一個焊接電壓必須達到的持續(xù)時間，達到時間才認為滿足條件。圖2和圖3分別顯示了焊接的兩個區(qū)間對應(yīng)的焊接電壓U和焊接電流I的曲線，其中，圖2為現(xiàn)有技術(shù)的電流電壓波形，圖3是本發(fā)明的電流電壓波形。如圖2所示，在第一個焊接過程(區(qū)間1)，電弧燃燒，在焊接電極和エ件之間沒有金屬液體材料的傳遞。此時的焊接電流和焊接電壓都可以理想化的認為是個常量。隨著熔滴的不斷増大，進入短路過程(區(qū)間2)。由于液態(tài)金屬在焊接電極和エ件之間形成短路橋。焊接電壓迅速跌落到接近為0，同時電流開始上升。在短路過程中，隨著電場和磁場的共同作用，短接橋的上端薄弱連接部位開始收縮，并最終斷裂。液態(tài)金屬完成了從焊接電極到エ件的轉(zhuǎn)移過程。所以短路過程也可以稱作是熔滴轉(zhuǎn)移的過程。在短路過程的最后階段，金屬短路橋斷開，熔滴完全脫落，進入第三個過程(區(qū)間3)電弧重新引燃。在短路過程的結(jié)束時刻，將會同時檢測到突然増大的焊接電壓，以及仍然處于很高的焊接電流。本發(fā)明提供了一個測量實時焊接電壓Us的裝置。電壓采樣利用了和逆變器觸發(fā)頻率同步的波形，如圖4所示。逆變器的輸出電壓Uinv的周期圖中用T來表示，分為逆變開通觸發(fā)時間tl和停止時間t2。焊接電壓的實時測量值和同步脈沖Syn同步，ー個周期采樣兩個電壓值，逆變器觸發(fā)開通時刻(tl)的瞬時電壓值和逆變器停止時刻(t2)的焊接電壓值。這個過程是反向電壓源控制部件6來執(zhí)行的，同時該部件還存儲這些采集到的電壓值。反向電壓源控制部件6始終實時的采集上面描述的電壓值，當(dāng)此電壓值出現(xiàn)急速上升時，這就代表當(dāng)前的熔滴已經(jīng)完成脫落。同樣也代表了區(qū)間2短路區(qū)間的結(jié)束。通過給定合適的觸發(fā)條件，精確的確定好熔滴分離的時機?？刂频诙_關(guān)4閉合，第一開關(guān)3斷開，將反向電壓源接入到電流回路。這樣就可以起到同時降低焊接電壓和焊接電流的目的。通過控制反向電壓源的UG值，可以控制焊接電流的下降速度。圖3顯示的是經(jīng)過本發(fā)明控制之后的焊接電流和電壓的曲線，對比圖2，可以發(fā)現(xiàn)，從焊接電壓突然上升之后，焊接電壓經(jīng)過反向電壓源UG的作用，在熔滴分離，也就是短路過程結(jié)束之后，電流和電壓的值顯著降低。電流的下降速度dl/dt，取決于UG的幅值大小，可以控制下降速度，達到降低焊接飛濺的目的。至干“反向電壓源觸發(fā)接入”的時機，可以通過圖1中的參數(shù)設(shè)定裝置13來設(shè)定?？梢愿鶕?jù)不同的焊接電流電壓，實際的焊接情況，來預(yù)先設(shè)定好相對應(yīng)的閥值或者是差值。當(dāng)焊接電壓達到閥值時，反向電壓源觸發(fā)接入。也可以比較相鄰的兩個采樣電壓值，當(dāng)偏差超過預(yù)先定義的差值時?？刂品较螂妷涸唇尤?。作為ー種替代方法，電壓傳感器11的連接位置，也可以兩端分別直接連接到焊接電極9和エ件10。以便焊接電壓實際值的采樣盡可能的真實。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出對于本發(fā)明領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有短路電弧熔滴控制功能的焊機，包括逆變焊接電源模塊、焊接件、逆變器控制部件、反向電壓源、反向電壓源控制部件、電壓傳感器、電流傳感器、參數(shù)設(shè)定裝置；所述逆變焊接電源模塊與焊接件相連構(gòu)成焊接回路，所述逆變器控制部件與逆變焊接電源模塊相連用于控制焊接電源的輸出，所述反向電壓源通過反向電壓源控制部件控制可與焊接件串聯(lián)接入焊接回路；所述電壓傳感器與焊接件并聯(lián)，用于測量焊接電壓瞬時值，電流傳感器與焊接件串聯(lián)，用于測量焊接電流瞬時值；所述參數(shù)設(shè)定裝置與反向電壓源控制部件相連，用于給定焊接過程中電流和電壓的設(shè)定值；所述電壓傳感器，電流傳感器均分別同時與逆變器控制部件、反向電壓源控制部件相連，所述逆變焊接電源模塊、逆變器控制部件和反向電壓源控制部件相互連接通過Syn信號同步。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機，其特征在于所述逆變焊接電源模塊包括與供電電源相連的逆變器，所述逆變器為PWM脈沖寬度調(diào)制方式的逆變器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機，其特征在于所述焊接件包括焊接電極和工件；所述逆變焊接電源模塊，兩端分別與焊接電極和工件相連構(gòu)成焊接回路。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機，其特征在于所述逆變焊接電源模塊，為從電網(wǎng)獲得的供電電源，經(jīng)過三相整流橋和同步時鐘Syn同步工作的PWM 脈沖寬度調(diào)制逆變回路，給逆變器提供輸入，逆變器的次級經(jīng)過整流后輸出兩端分別與焊接電極和工件相連，提供焊接需要的電流電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機，其特征在于所述逆變焊接電源模塊與焊接電極之間，依次串聯(lián)有平波電抗器和線路等效電感。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機，其特征在于所述工件與逆變焊接電源模塊之間串聯(lián)有電流傳感器，所述電流傳感器一路通過第一開關(guān)直接與工件連接，另一路通過相串聯(lián)的反向電壓源和第二開關(guān)與工件連接；所述第一開關(guān)和第二開關(guān)由反向電壓源控制部件控制開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機，其特征在于所述第一開關(guān)和第二開關(guān)為IGBT或MOSFET。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機，其特征在于所述電壓傳感器，用于測量焊接電壓瞬時值中有代表性的電壓值。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機，其特征在于所述電流傳感器，用于測量焊接電流瞬時值中有代表性的電流值。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機，其特征在于所述逆變器控制部件、反向電壓源控制部件和參數(shù)設(shè)定裝置中安裝有微控制器或DSP控制器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有短路電弧熔滴控制功能的焊機，用于熔化極氣體保護焊，系統(tǒng)包括一個采用PWM脈寬調(diào)制控制方式的逆變器，提供焊接所需的能量，提供焊接電極和工件，當(dāng)在此焊接電流回路中，逆變器的輸出電壓Uinv處在一個很低的水平，同時焊接電流呈現(xiàn)鋸齒波上升趨勢時，通過外部控制，將另一個反向電壓源接通。本發(fā)明提供的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機，采用與逆變器觸發(fā)頻率的脈沖信號同步的采樣頻率來采樣，得到的焊接電壓瞬時值是非常真實有效地，同時利用此信號來觸發(fā)反向電壓源的開通時機就和實際焊接短路區(qū)間的時間點更加接近，顯著減少焊接過程中液態(tài)金屬的飛濺，從而增強了操作的安全性，降低成本，提高生產(chǎn)效率。
文檔編號B23K9/10GK103008836SQ20131001495
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月16日
發(fā)明者曾堯 申請人:伊達新技術(shù)電源(昆山)有限公司