焊接電源外特性控制法,弧焊機及其電路制造技術

一種用于電弧焊接的方法和設備，其中，包括焊接電源和送絲機構的脈沖弧焊機是由外特性控制電路，過載保護電路，驅動電路和主電路以及送絲控制電路，電機驅動電路和送絲電機組成的．脈沖電弧焊機的焊接電弧自適應控制系統所使用的電源具有多階梯和運動斜率的外特性．此外，還提供了可使任意多段和任意斜率或運動斜率的特性線段銜接起來的自動轉換電路，以及實現運動斜率特性線段的掃描電路．是僅需單旋鈕控制送絲速度的自適應控制氣體保護金屬極電弧（ＧＭＡ）焊機．無需調整其他的焊接參數，操作起來十分簡便．（*該技術在2005年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于焊接電源及其控制線路。傳統的氣體保護熔化極電弧焊(GMA)焊機一直采用電流電壓關系為平直的、下降的或微升的電源外特性，以期在焊接過程中獲得較強的電弧自調節能力，以及維持電弧穩定和得到金屬噴射過渡的效果，但實際上至今未能圓滿地解決焊接電弧自調節能力和保證穩定的金屬噴射過渡這兩項相互矛盾的要求。近年來發展的GMA焊機采用兩種外特性組合成非線性的電源在維弧階段用陡降特性使電弧維持穩定;而用平直特性的強迫脈沖產生金屬噴射過渡。這樣就可以實現分別改變維弧電流和脈沖電流的幅值及其相應的維持時間這四個參數，使焊絲的熔化速度能夠靈活地調節。雖然這種焊機的焊接電流適用范圍比一般直流焊機寬得多，但是，為了整定焊絲的熔化速度，必須先確定上述四個參數，因此十分復雜。只要其中某個參數整定不當，就會導致電弧不穩定，甚至熄滅。又由于在維弧期間采用陡降的電源外特性，所以弧長的自調節能力不強。再者，脈沖電流幅值總是難免有波動的，故不能保證穩定的金屬噴射過渡。1981年6月英國的M.AMIN在《金屬結構》(Metal Construction)雜志上提出了一種稱為“SYNERGIC”的熔化極氣體保護脈沖焊接方法，它把送絲速度和上述四個參數通過一個控制系統聯系起來，送絲速度一經選定，上述四個參數即由電子電路自動整定。但是，在這一系統中沒有反應弧長和電弧參數之間的變化。因此，除送絲速度以外的任何對弧長的干擾都會使電弧的穩定遭到破壞。此外，據知UEGURI等人的第81 105 288.5號歐洲專利申請提出了將電弧的電流、電壓與上述四個參數聯系起來控制焊接電源的脈沖焊機，實現了在焊接過程中焊接參數自動調節的一種方式。但是，由于采用積分電路測量電弧電壓表示弧長，所以對弧長擾動的瞬態響應很差，影響了焊接電弧的自調節作用。本專利技術的目的旨在促進上述這些問題的解決。本專利技術的構成是一種自適應控制脈沖焊機(以下簡稱TSAD焊機)采用一種焊接電弧自適應控制系統，該系統使電源呈現多階梯和具有運動斜率的外特性，能使焊接電弧自始至終處于最佳狀態，從而解決了現有焊機存在的電弧自調節能力和保證穩定的金屬噴射過渡之間的矛盾問題。上述的多階梯外特性主要包括三段一段為使維持電弧充分穩定的稍微傾斜的特性，一段為保持穩定的金屬噴射過渡、保證電弧為恒定電流的垂直特性，以及一段為加速電弧由維弧階段到脈沖階段間過渡的運動斜率特性，這三段特性與空載點和短路點連接成多階梯的外特性。上述的運動斜率特性是本專利技術焊機中獨具的特點。為實現這一特點，在上述控制系統中設有一個掃描電路，它由弧長上下限電壓觸發並按焊接電流微變量進行掃描。當焊接電流微變量上升時，它使電源電壓遠高于弧壓降，當焊接電流微變量減少時，它使電源電壓遠低于弧壓降，從而使電弧快速完成向維弧或脈沖最佳穩定點的過渡，這是與現有脈沖焊機的特性迴然不同的，這也是實現本專利技術焊機具有電弧自適應能力的主要電路之一。本專利技術TSAD焊機的另一特點是在焊接電弧自適應控制系統中采用一個多階梯外特性的自動轉換電路，它能將任意多段和任意斜率的特性線段銜接起來組合而成任意多階梯的特性曲線，從而實現了電源為多階梯的外特性。TSAD焊機控制系統中的送絲電路與現有焊機不同，它能實現使弧長隨送絲速度的變化而自動進行補償 從而保證最適度的金屬噴射過渡TSAD焊機的晶體管電源本身具有檢測和控制弧長的能力，故不需象現有焊機那樣附加檢測弧長的電路，即能實現自動地調節輸出的電流和電壓，使焊接電弧永遠處于最佳狀態。由于TSAD焊機具有多階梯的外特性，在維弧和脈沖階段分別采用不同的電流和電壓，故能使焊接電源的功耗減少。由于TSAD焊機是用于GMA焊接的，故具有以下一些優點焊接電弧穩定;保證金屬噴射過渡而且飛濺極少;能適應脈沖送絲或函數送絲;以及可以采用單旋鈕調節送絲速度而無需調整其它焊接參數，操作起來十分簡便。由于上述特征，所以本專利技術的TSAD脈沖焊機不但具有與機器人聯用的潛力，而且還可發展應用于焊縫溶深和成形控制焊接;線能量控制焊接;鋁和鋁合金的亞射流過渡焊接以及CO2焊接。為了全面了解本專利技術的內容，現結合有關附圖作如下具體說明，其中圖1是TSAD焊機的框圖;圖2是TSAD焊機焊接電源部分的電路圖;圖3是如圖2所示的焊接電源的多階梯運動斜率外特性;圖4是如圖3所示的焊接電源的多階梯外特性自動轉換電路;圖5是焊接電源的運動斜率外特性控制電路;圖6是任意多階梯外特性自動轉換電路;圖7是由圖6電路實現的任意多階梯外特性曲線;圖8是TSAD焊機的送絲電路。如圖1所示，本專利技術的TSAD焊機包括一個含有外特性控制電路1、過載保護電路2、驅動電路3和主電路4的焊接電源12，以及一個含有脈沖送絲控制電路5、電機驅動電路6和送絲電機7的送絲機構13。焊絲11是通過送絲電機7控制的送絲機構10向金屬部件9移動而進行焊接的。電壓u和電流i分別送到外特性控制電路1。主電路4的輸出連接到焊絲11和金屬部件9，以便在焊絲和金屬部件之間產生電弧8。上述的各個部分構成一個焊接電弧自適應控制系統。參照圖2，上述外特性控制電路中包括一個如圖4所示的焊接電源的多階梯外特性自動轉換電路和一個如圖5所示的焊接電源的運動斜率外特性控制電路。從圖2和圖8中可見，上述TSAD焊機除了焊接電纜不可避免地盤繞外，沒有其它慣性元件，因而該焊機的控制系統具有極好的動態品質。如圖3所示，上述焊接電源的多階梯運動斜率外特性是由五條基本特性線段組成的，其中A是開路點(空載點);BC為一條用以保持維弧充分穩定的陡升特性線段;CD為一條在l1(弧長上限)和l2(弧長下限)之間的具有運動斜率的能加速電弧從維弧階段到脈沖階段往返過渡的特性線段;DE為一條垂直的以保證脈沖階段電弧的工作點為恒定電流的特性線段;EF和FG控制短路特性線段;G為短路點。上述BC，CD和DE三條特性線段是焊接電源外特性的主要組成部分。在傳統焊機上，當弧長增大時，維弧電流總是下降的。而本專利技術由于BC段作用的結果，當弧長越大或弧壓越高時，維弧電流的幅值也越大，從而使維弧的穩定得到了保證。本專利技術還使CD特性線段在弧長允許的上、下限l1和l2之間傾斜，並隨焊接電流的增量而掃描，掃描的軌跡為由CD線段向S1或S2方向運動，從而實現了運動斜率的外特性。該運動斜率外特性的運動過程如下假定在初始瞬間弧長為l1，電弧工作點為C′，由于此段焊接電流很小，電弧只維持燃燒而無金屬過渡，所以弧長減小，電弧的工作點從C′下降到C。一旦到達C點時，立即觸發，CD段開始隨焊接電流的微變量進行掃描，在掃描過程中，電源的輸出電壓遠高于電弧的壓降，因而使電弧迅速地從C跳到D′，此時焊接電流變得很大，開始預定形式的金屬過渡，這時弧長逐漸增大，一旦增大到D點，DC段又開始上述的掃描，然而在這次掃描過程中，電源的輸出電壓遠低于電弧的壓降，因而使電弧迅速地從D跳回C′。上述過程自動地重復進行，弧長在l1和l2之間的△1內變化，電弧工作點則沿四邊形C′CD′DC′的邊緣運動，從而獲得了焊接電源的輸出自動跟蹤弧長的變化。這種運動斜率外特性的優點在于第一，弧長能精確地被控制在上、下限l1和l2的間隔內，間隔值△l通常可設計成等于焊絲的直徑，l1、l2和△1的絕對值可通過改變四邊本文檔來自技高網...

【技術保護點】
利用焊接電源（１２）的外特性來控制電弧的方法，其特征為焊接電源的外特性是多折線形的，該多折線包括一條電壓隨電流的增加而陡增的陡升線段（ＢＣ、ＢＣ’），一條電壓隨電流的增長而上升的微升線段（ＣＤ），以及一條垂直線段（ＤＥ）。

【技術特征摘要】
1.利用焊接電源[12]的外特性來控制電弧的方法，其特征為焊接電源的外特性是多折線形的，該多折線包括一條電壓隨電流的增加而陡增的陡升線段(BC，BC′)，一條電壓隨電流的增長而上升的微升線段(CD)，以及一條垂直線段(DE)。2.按權項1所說的方法，其特征為微升線段(CD)的下端點(C)也是陡升線段(BC)的下端點(C)，微升線段(CD)的上端點(D)也是垂直線段(DE)的上端點(D)，微升線段(CD)的下端點(C)按弧長的下限值進行整定，微升線段的上端點(D)按弧長的上限值進行整定。3.弧焊機包括一個焊接電源〔12〕和一個送絲機構〔13〕，該焊接電源包括一個控制焊接電源外特性(具有上升和下降線段的U-I特性)的外特性控制電路〔1〕，該電路與焊絲〔11〕和焊接物〔9〕形成電氣連接，送絲機構〔13〕包括一個控制送絲速度的送絲控制電路〔5〕，其特征為外特性控制電路〔1〕產生一個在開路點〔A〕和短路點〔G〕之間具有不同斜率的多折線(AB，BC，CD，DE，EF，FG)的多階梯外特性。4.按權項3所說的弧焊機，其特征為外特性控制電路〔1〕產生一運動的輸出特性，以便自動地檢測電弧〔8〕的弧長，并且自動地根據弧長的波動控制輸出電壓和輸出電流，從...

【專利技術屬性】
技術研發人員：潘際鑾，張人豪，區智明，吳志強，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]