焊接电源外特性控制法,弧焊机及其电路制造技术

一种用于电弧焊接的方法和设备，其中，包括焊接电源和送丝机构的脉冲弧焊机是由外特性控制电路，过载保护电路，驱动电路和主电路以及送丝控制电路，电机驱动电路和送丝电机组成的．脉冲电弧焊机的焊接电弧自适应控制系统所使用的电源具有多阶梯和运动斜率的外特性．此外，还提供了可使任意多段和任意斜率或运动斜率的特性线段衔接起来的自动转换电路，以及实现运动斜率特性线段的扫描电路．是仅需单旋钮控制送丝速度的自适应控制气体保护金属极电弧（ＧＭＡ）焊机．无需调整其他的焊接参数，操作起来十分简便．（*该技术在2005年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于焊接电源及其控制线路。传统的气体保护熔化极电弧焊(GMA)焊机一直采用电流电压关系为平直的、下降的或微升的电源外特性，以期在焊接过程中获得较强的电弧自调节能力，以及维持电弧稳定和得到金属喷射过渡的效果，但实际上至今未能圆满地解决焊接电弧自调节能力和保证稳定的金属喷射过渡这两项相互矛盾的要求。近年来发展的GMA焊机采用两种外特性组合成非线性的电源在维弧阶段用陡降特性使电弧维持稳定;而用平直特性的强迫脉冲产生金属喷射过渡。这样就可以实现分别改变维弧电流和脉冲电流的幅值及其相应的维持时间这四个参数，使焊丝的熔化速度能够灵活地调节。虽然这种焊机的焊接电流适用范围比一般直流焊机宽得多，但是，为了整定焊丝的熔化速度，必须先确定上述四个参数，因此十分复杂。只要其中某个参数整定不当，就会导致电弧不稳定，甚至熄灭。又由于在维弧期间采用陡降的电源外特性，所以弧长的自调节能力不强。再者，脉冲电流幅值总是难免有波动的，故不能保证稳定的金属喷射过渡。1981年6月英国的M.AMIN在《金属结构》(Metal Construction)杂志上提出了一种称为“SYNERGIC”的熔化极气体保护脉冲焊接方法，它把送丝速度和上述四个参数通过一个控制系统联系起来，送丝速度一经选定，上述四个参数即由电子电路自动整定。但是，在这一系统中没有反应弧长和电弧参数之间的变化。因此，除送丝速度以外的任何对弧长的干扰都会使电弧的稳定遭到破坏。此外，据知UEGURI等人的第81 105 288.5号欧洲专利申请提出了将电弧的电流、电压与上述四个参数联系起来控制焊接电源的脉冲焊机，实现了在焊接过程中焊接参数自动调节的一种方式。但是，由于采用积分电路测量电弧电压表示弧长，所以对弧长扰动的瞬态响应很差，影响了焊接电弧的自调节作用。本专利技术的目的旨在促进上述这些问题的解决。本专利技术的构成是一种自适应控制脉冲焊机(以下简称TSAD焊机)采用一种焊接电弧自适应控制系统，该系统使电源呈现多阶梯和具有运动斜率的外特性，能使焊接电弧自始至终处于最佳状态，从而解决了现有焊机存在的电弧自调节能力和保证稳定的金属喷射过渡之间的矛盾问题。上述的多阶梯外特性主要包括三段一段为使维持电弧充分稳定的稍微倾斜的特性，一段为保持稳定的金属喷射过渡、保证电弧为恒定电流的垂直特性，以及一段为加速电弧由维弧阶段到脉冲阶段间过渡的运动斜率特性，这三段特性与空载点和短路点连接成多阶梯的外特性。上述的运动斜率特性是本专利技术焊机中独具的特点。为实现这一特点，在上述控制系统中设有一个扫描电路，它由弧长上下限电压触发並按焊接电流微变量进行扫描。当焊接电流微变量上升时，它使电源电压远高于弧压降，当焊接电流微变量减少时，它使电源电压远低于弧压降，从而使电弧快速完成向维弧或脉冲最佳稳定点的过渡，这是与现有脉冲焊机的特性迴然不同的，这也是实现本专利技术焊机具有电弧自适应能力的主要电路之一。本专利技术TSAD焊机的另一特点是在焊接电弧自适应控制系统中采用一个多阶梯外特性的自动转换电路，它能将任意多段和任意斜率的特性线段衔接起来组合而成任意多阶梯的特性曲线，从而实现了电源为多阶梯的外特性。TSAD焊机控制系统中的送丝电路与现有焊机不同，它能实现使弧长随送丝速度的变化而自动进行补偿 从而保证最适度的金属喷射过渡TSAD焊机的晶体管电源本身具有检测和控制弧长的能力，故不需象现有焊机那样附加检测弧长的电路，即能实现自动地调节输出的电流和电压，使焊接电弧永远处于最佳状态。由于TSAD焊机具有多阶梯的外特性，在维弧和脉冲阶段分别采用不同的电流和电压，故能使焊接电源的功耗减少。由于TSAD焊机是用于GMA焊接的，故具有以下一些优点焊接电弧稳定;保证金属喷射过渡而且飞溅极少;能适应脉冲送丝或函数送丝;以及可以采用单旋钮调节送丝速度而无需调整其它焊接参数，操作起来十分简便。由于上述特征，所以本专利技术的TSAD脉冲焊机不但具有与机器人联用的潜力，而且还可发展应用于焊缝溶深和成形控制焊接;线能量控制焊接;铝和铝合金的亚射流过渡焊接以及CO2焊接。为了全面了解本专利技术的内容，现结合有关附图作如下具体说明，其中图1是TSAD焊机的框图;图2是TSAD焊机焊接电源部分的电路图;图3是如图2所示的焊接电源的多阶梯运动斜率外特性;图4是如图3所示的焊接电源的多阶梯外特性自动转换电路;图5是焊接电源的运动斜率外特性控制电路;图6是任意多阶梯外特性自动转换电路;图7是由图6电路实现的任意多阶梯外特性曲线;图8是TSAD焊机的送丝电路。如图1所示，本专利技术的TSAD焊机包括一个含有外特性控制电路1、过载保护电路2、驱动电路3和主电路4的焊接电源12，以及一个含有脉冲送丝控制电路5、电机驱动电路6和送丝电机7的送丝机构13。焊丝11是通过送丝电机7控制的送丝机构10向金属部件9移动而进行焊接的。电压u和电流i分别送到外特性控制电路1。主电路4的输出连接到焊丝11和金属部件9，以便在焊丝和金属部件之间产生电弧8。上述的各个部分构成一个焊接电弧自适应控制系统。参照图2，上述外特性控制电路中包括一个如图4所示的焊接电源的多阶梯外特性自动转换电路和一个如图5所示的焊接电源的运动斜率外特性控制电路。从图2和图8中可见，上述TSAD焊机除了焊接电缆不可避免地盘绕外，没有其它惯性元件，因而该焊机的控制系统具有极好的动态品质。如图3所示，上述焊接电源的多阶梯运动斜率外特性是由五条基本特性线段组成的，其中A是开路点(空载点);BC为一条用以保持维弧充分稳定的陡升特性线段;CD为一条在l1(弧长上限)和l2(弧长下限)之间的具有运动斜率的能加速电弧从维弧阶段到脉冲阶段往返过渡的特性线段;DE为一条垂直的以保证脉冲阶段电弧的工作点为恒定电流的特性线段;EF和FG控制短路特性线段;G为短路点。上述BC，CD和DE三条特性线段是焊接电源外特性的主要组成部分。在传统焊机上，当弧长增大时，维弧电流总是下降的。而本专利技术由于BC段作用的结果，当弧长越大或弧压越高时，维弧电流的幅值也越大，从而使维弧的稳定得到了保证。本专利技术还使CD特性线段在弧长允许的上、下限l1和l2之间倾斜，並随焊接电流的增量而扫描，扫描的轨迹为由CD线段向S1或S2方向运动，从而实现了运动斜率的外特性。该运动斜率外特性的运动过程如下假定在初始瞬间弧长为l1，电弧工作点为C′，由于此段焊接电流很小，电弧只维持燃烧而无金属过渡，所以弧长减小，电弧的工作点从C′下降到C。一旦到达C点时，立即触发，CD段开始随焊接电流的微变量进行扫描，在扫描过程中，电源的输出电压远高于电弧的压降，因而使电弧迅速地从C跳到D′，此时焊接电流变得很大，开始预定形式的金属过渡，这时弧长逐渐增大，一旦增大到D点，DC段又开始上述的扫描，然而在这次扫描过程中，电源的输出电压远低于电弧的压降，因而使电弧迅速地从D跳回C′。上述过程自动地重复进行，弧长在l1和l2之间的△1内变化，电弧工作点则沿四边形C′CD′DC′的边缘运动，从而获得了焊接电源的输出自动跟踪弧长的变化。这种运动斜率外特性的优点在于第一，弧长能精确地被控制在上、下限l1和l2的间隔内，间隔值△l通常可设计成等于焊丝的直径，l1、l2和△1的绝对值可通过改变四边本文档来自技高网...

【技术保护点】
利用焊接电源（１２）的外特性来控制电弧的方法，其特征为焊接电源的外特性是多折线形的，该多折线包括一条电压随电流的增加而陡增的陡升线段（ＢＣ、ＢＣ’），一条电压随电流的增长而上升的微升线段（ＣＤ），以及一条垂直线段（ＤＥ）。

【技术特征摘要】
1.利用焊接电源[12]的外特性来控制电弧的方法，其特征为焊接电源的外特性是多折线形的，该多折线包括一条电压随电流的增加而陡增的陡升线段(BC，BC′)，一条电压随电流的增长而上升的微升线段(CD)，以及一条垂直线段(DE)。2.按权项1所说的方法，其特征为微升线段(CD)的下端点(C)也是陡升线段(BC)的下端点(C)，微升线段(CD)的上端点(D)也是垂直线段(DE)的上端点(D)，微升线段(CD)的下端点(C)按弧长的下限值进行整定，微升线段的上端点(D)按弧长的上限值进行整定。3.弧焊机包括一个焊接电源〔12〕和一个送丝机构〔13〕，该焊接电源包括一个控制焊接电源外特性(具有上升和下降线段的U-I特性)的外特性控制电路〔1〕，该电路与焊丝〔11〕和焊接物〔9〕形成电气连接，送丝机构〔13〕包括一个控制送丝速度的送丝控制电路〔5〕，其特征为外特性控制电路〔1〕产生一个在开路点〔A〕和短路点〔G〕之间具有不同斜率的多折线(AB，BC，CD，DE，EF，FG)的多阶梯外特性。4.按权项3所说的弧焊机，其特征为外特性控制电路〔1〕产生一运动的输出特性，以便自动地检测电弧〔8〕的弧长，并且自动地根据弧长的波动控制输出电压和输出电流，从...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘际銮，张人豪，区智明，吴志强，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]