控制短路型焊接系统的方法和装置制造方法及图纸

控制电弧焊电源减少溅洒的方法及装置，该电源用于通过短路转移方式从焊条或电极上将金属熔积到工件上，其中焊接电流使焊条在短路状态及电弧状态中间变化，在短路状态期间发生金属转移。这种方法及装置包括以下概要：将电焊电流转换到基本电流值以响应短路状态，将焊接电流通常保持在基本电流电平值上一段预定时间，然后允许焊接电流达到正常安全电流电平值，并使保持步骤在预定时间以前结束以响应检测的电弧状态。（*该技术在2007年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术有关电弧焊术，更明确地说是有关控制短路型焊接系统以便大大减少在通常情况下伴随这种焊接过程所产生的溅洒的改进方法和装置。在自耗电极的电弧焊中，一种典型的工作原理是短路方式，其中电源跨接在自耗电极或焊条和工件之间，在该工件上焊有焊缝。当电弧产生时，电极端部就熔化形成了悬挂在电极上的熔化金属滴状物质并提供给工件。当熔化材料变得足够多时，就会使得电极和工件之间连接起来形成短路，这时，电极和工件之间的电压急骤下降，从而导致电源急骤增加流过短路电路的电流。这样大的电流被维持着，并且事实上当克服了电源电感时由于熔化物质的存在其大电流还随时间而增加。由于这短路电流继续流通，电致收缩缩小了邻近焊条端部的熔化物质部分，致使熔化焊条收缩的力与流经焊条端的熔融金属的电流平方成正比。这电致收缩效应通过诺思勒普(Northrup)等式表示G (达因／〔厘米〕2)＝ (I2(R2- r2))/(100πR4)I为电流强度，r为离焊条中心的距离，R为颈部直径。在短路过程中，需要有一个相当大的电流流通，而当短路出现时，就自然而然地产生相当大的电流流通。这大电流必然导致熔化物质的颈部快速变成一个非常小截面或者颈部，它象电熔丝一样最终断开，从而从焊条上分离出熔珠，并且由于表面张力使得熔珠引入焊槽中。这种颈部的断开引起了焊接过程的溅洒。溅洒有损于焊接工作的总体效率，并且需要在焊接工作结束后在焊缝附近进行大量的清扫工作。因为流经焊条或焊棒到工件的电流在颈部或熔丝断开时是相当大的，这样有巨大的能量要通过颈部断开加以释放，使断开飞溅的距离变大，并产生大量的溅洒。可见，这样就使两方面之间存在着矛盾，一方面，短路电流必须大到使电致收缩足以减小颈部尺寸，而另一方面短路电流又必须小，以使熔丝断开的能量减小，从而相应地减少溅洒并且减小溅洒颗粒飞溅的距离。已经作出了很大的努力来限止由于悬挂在焊条上并连接工件或焊槽的金属溶滴的颈部或熔丝的断开而再生电弧时的溅洒，首先，考虑减小焊条的直径，也就是使用1/32焊条。但是，这种减少溅洒的途径导致了通常和使用小焊条联系在一起的低效率。例如，难以覆盖大量的焊缝，而且有时焊条截下一截或没有熔化就进入焊槽里。当为了克服这些问题而增大焊条直径时，就会直接导致溅洒增加。迫于这种进退两难的境地，根据美国专利说明书4，544，826中的指导，建议使用一个高频电源，其中，当一旦出现短路条件或者一旦检测到再起弧的先兆，也就是检测到溶丝断开，就切断高频转换器。为了避免刚好在熔丝断开前切断高频电源时所产生的回路电流，该美国专利说明书列举了一种开关，SWD，该开关断开时，为了使回路电流迅速衰减，在固体器件转换器的输出储能电路中接入一个电阻。这系统不能应用于一切电源。并且其还基于一个复杂的逻辑系统，该逻辑系统事实上要产生出从检测到短路到颈部或熔丝断开后再建电弧时的电流曲线。通过受调节衰减减小短路时的电流，这一现象导致了t1至t2之间的时间常数曲线。在检测到即将烧断的颈部或熔丝时，也应用了同样的衰减方式。这一特征展示在该专利的t5和t6之间。如图所示的该专利的预定的曲线形状很大程度上取决了固体器件转换器输出储能电路的上述的衰减，该转换器给出了在断开瞬间流经颈部自身电流的严格的限定。这样一个电流曲线形状即使能作到的话，也只可应用于没有多大输出电感的内部能关断的高频固体器件转换器电源。否则的话，在输出电路中带有相当大电感的电抗器的情况下，通过开关SWD并联电阻来衰减会是困难的并且不总是可靠的。由于直流焊接系统存在输出电感，这种减少溅洒的衰减方式事实上有很大缺陷。另一个专利，美国专利说明书№4546234揭示了一个通过短路电流检测控制原始电流周期重复出现的系统。另外，电流波形形状是在一定程度上固定的。在一段预定的时间延迟后，电流流经短路熔化的金属溶滴或溶珠，以便于金属转移。一个常量电流一直保持到预示出颈缩现象，这时电流迅速降至一个低电平值并然后立即变化降诙叩缙街怠Ｕ飧鱿低车贾铝诵巫锤丛拥脑ざǖ缌鞑ㄐ危遥幢隳茏鞯降幕埃话愕刂荒苡τ靡桓龈咂倒烫迤骷淖黄餍偷缭础 可见，确实需要一个相对比较简单的系统，通过它对电焊电流施加有限的有效控制使焊接溅洒减少，以便使流过的电流在大多数短路和熔丝断开的周期中呈现有规律的工作特性。再则，事实上需要一种既能用于变压器供电也能用于固体器件转换器型电源的减少溅洒电路，该固体器件转换器型电源既不依赖于低电感电路的输出衰减也不依赖于一些有明显差别电流电平值的限定。本专利技术克服了为减少短路型焊接系统的溅洒的现有技术方案中存在的缺点，提供了短路电路，使系统只需最少数量逻辑电流的转移方式，并能广泛用于在输出电路中具有或不具有一定量电感的各种各样电源。按照本专利技术最主要的构思，只要弧电压超过预定的临界值，如10伏时，主焊接电流就持续下去。当弧电压下降到低于这个预定值时，主焊接电流就断开一段选择的时间，然后再接通。在这段周期中，一个小的基本电流总是保持着，这样悬挂在焊条上的并且和工件接触的熔化的金属物质或熔化的金属珠仅仅是在小的基本电流而不是主电流的影响下，要么抛出，要么发展成为一个金属转移短路。因此，任何在事实上当未转移到工件焊缝或焊槽上的熔化的金属珠，当它与焊槽分离时，仅仅只遭受到小的基本电流。这样小的电流不会将来自于焊条的熔珠和部分从焊槽中抛出去。这些熔化的金属滴或珠只能瞬时间进到熔化的焊接槽和缝，这样导致的现象称作为“初期短路”。初期短路不是金属转移短路，而是熔珠和焊槽相接触，继之以由于电致收缩力使熔珠从熔化的焊槽中弹开再次建立没有任何金属转移的电弧。瞬时的短路将在小电流选定的时间间隔内出现，这时间实际为1.0毫秒。当初期短路形成时，主焊接电流断开，减小熔化的金属珠和焊接槽之间接触部分上的电致收缩力。通过用低电平值电流保持焊接作用，既具有了足够保持溶化作用的电流，而且一般来说该电流是不足以产生大的电致收缩力以致于再建电弧和具有把熔化的金属珠从焊槽中拉出的电弧喷射力。因此，该短路转成为金属转移短路，并且在进程中不产生初期短路。术语“工件”在这里是用来表示将在其上焊覆着焊缝的金属、焊缝本身或者焊槽。所有这些对电源来说电气上是接地的。如果短路仅仅是涉及初期短路状态下的瞬时短路，那么当短路中断和电弧再建时，主电流将出现。如果当强制在通常情况下的小电流期间中，初期短路状态变为转移短路时，那么在一段起始预定的小电流时期后还保持短路状态。电弧电压保持在低电平值，而仍使主电流接通。当这出现时，通过焊条和工件之间熔体的电流由于焊条和工件之间继续短路而迅速增大。当主电流继续流过电焊条时，焊条继续加热并且它的电阻率增加。跨于间隙间的熔珠由于电致收缩效应，以正比于焊接电流平方的速率开始颈缩。由于电阻率增加和颈部直径变小，电压开始增加。颈缩作用自其开始以后一般是自保持的，因此颈缩开始就给出了要逼近熔丝断开的信号，在熔丝断开以前出现电压增加和电流斜率的符号变化。工作电压对时间的微分或者具有穿越短路金属的主电流对时间的微分指示了什么时候金属被主电流电致收缩。电压迅速增高或焊接电流斜率的变化指示了熔丝或颈部逼近断开。当电压或者电流微分指示熔丝逼近断开时，主电流正好在金属接触脱离之前再一次立刻关断。随着主电流关断，小的基本电流使本文档来自技高网...

【技术保护点】
利用一个电焊电源由短路转移方式从焊条上将金属熔积到工件上的一种减少溅洒的装置，其中焊接电流使焊条在短路状态及电弧状态中变化，在短路状态期间金属转移需要转移时间ＴＰ，在该转移时间中焊接电流上升，然后当所述焊条的熔化部分转移到所述工件时电焊电流下降，所述装置包括：（ａ）检测代表焊条及工件之间电压的控制电压检测装置；（ｂ）比较装置、它用于在所述控制电压小于代表短路状态的预定电压时产生一个短路信号，以及在所述控制电压大于所述预定电压时产生一个电弧信号；（ｃ）开关装置、它具 有其中所述焊接电流是允许达到的正常安全电流的第一开关导通状态、及其中所述焊接电流是低电平基本电流的第二开关断开状态；（ｄ）第一转换装置、它响应所述短路信号将所述开关装置转换到第二开关状态；及（ｅ）响应所述第一转换装置的装置、它用于使 所述开关状置保持在所述第二状态一个时间周期Ｔ↓〔１〕、周期Ｔ↓〔１〕具有的最大时间间隔实际上小于所述转移时间ＴＰ。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：约翰莫里斯帕克斯，埃利奥特K斯特夫，
申请(专利权)人：林肯电学公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]