CN1036508C - 熔化极直流电弧焊机 - Google Patents

Abstract

一种逆变器控制熔化极类型直流电弧焊机包括：一个用于整流输入交流电的输入整流器，一个用于变换整流器的输出为高频交流电的逆变器，一个用于降低逆变器输出电压的输出变压器，以及一个用于整流变压器输出电压的整流器，提供施加于焊接负载的直流输出电压，检测流过焊接负载的电流产生检测信号的装置，一个用于微分检测信号的微分电路，以及用于根据微分电路输出电压校正预定参考电压的校正装置。

Description

熔化极直流电弧焊机

本发明涉及一种熔化极直流电弧焊机，特别涉及熔化极型式的逆变器控制直流电弧焊机。

一个逆变器控制直流电焊机被安排成：由一个输入整流器整流来自工业用电源的交流电，由一个半导体开关元件组成的逆变器将整流器直流输出变换成高频交流电，再由一个输出变压器适当降低高频交流电的电压，并再将它整流以便获得用于焊接的直流电源。这种类型的焊机有这种优点：设备可以做得尺寸小、重量轻，因为它无需笨重的输入变压器；输出变压器可以用一个提供高频输出的逆变器来缩小；以及焊机的输出电压可以通过用一个控制电压来控制逆变器的开关工作而有效地稳定，该控制电压可以从焊机的输出电压和一个预定参考电压之差产生。

熔化极类型的直流电弧焊如二氧化碳保护焊、电磁焊(MAG)及金属焊条惰性气体保护焊(MIG)，是通过将焊机提供的上述稳定的直流电加到由连续馈送的电焊条和被焊接的基底材料形成的焊接负载上实现的。电焊条与基底材料接触或与之短路、而后与基底材料分离以致在它们之间形成电弧。这种短接和分离工作是重复的。然而，如果在电焊条与基底材料短路时，供给焊接负载的电流过大时会发生不希望有的飞溅。为了避免这种飞溅，通常的作法是在电焊机的输出边安装一个大的直流电抗器，它能防止负载电流的快速增长。但是使用这种大的直流电抗器有碍于减少焊机的尺寸和重量。

防止这种不希望有的飞溅的装置已被包括那些在美国专利号5,306,894和美国专利5,272,314申请中的发明者在内的人们所提出。根据美国专利5,306,894，由焊机的输出端之间的电压检测上述的短路周期和电弧周期以及在短路周期将上述的参考电压减少一个预定量由此防止了飞溅。至少在电弧周期的初始段用预定量来升高参考电压，因而又防止了由上述参考电压减少而可能产生的不足焊接。

根据美国专利5,272,314，反馈控制装置用来检测焊机的输出电压和预定参考电压之差，并根据检测到的电压差来控制逆变器以维持焊机的平均输出不变。同时，检测焊机的直流输出电流，并微分检测到的电流信号。在检测信号的微分型式是正的时期内，或换句话说，在短路周期，参考电压降低一个预定量，这样在短路周期内，其平均输出电压变得较低。

然而，在上述参考的美国专利的任一系统中，关于参考电压的校正量总是固定的，不能跟随焊机负载状况的突然变化。更详细地说，因为校正量对焊接中的突然变化不敏感，例如，由于操作工的不正常操纵引起的电焊条移动和被焊接部分的形状变化，因此不希望有的飞溅还会发生。特别是美国专利5,306,894的系统有这样一种问题，它不能对基底材料的厚度变化快速反应，所以在焊薄板时容易引起烧穿和在焊厚板时容易引起不足焊接。

美国专利No.4521672公开了一种焊机。在该美国专利的焊机中，在一输入整流器中对一交流电压进行整流，经整流的电压在一逆变器中被反向。该被反向的电压施加在一变压器的初级线圈。一输出整流器连接至上述变压器的次级线圈，以向焊机负载提供焊接电流和焊接电压。检测实际的焊接电流或电压，并将测量值提供给一控制电路。在该控制电路中，将实际的焊接电流或电压与一参考值比较。

该美国专利的焊机简单地将实际焊接电流或电压与一参考值比较。因此，该焊机也不能适应焊机负载状况的预期不到的变化。

因此，本发明的一个目的是提供一种改进的熔化极直流电弧焊机，它能对负载状态的任何突然变化快速反应，从而有效地防止飞溅也避免烧穿和足焊接。

一种熔化极直流电弧焊机包括一个用于整流输入交流电的整流器；一个用于变换整流器输出为高频交流电的逆变器；一个适当降低逆变器输出电压的输出变压器；一个用于整流输出变压器输出的输出整流器；以及用于根据输出变压器的输出电压和参考电压之差来控制逆变器的反馈控制装置。

根据本发明，焊机还包括用于检测流过焊机负载的电流并提供一个相应的检测信号的装置；一个用于微分检测信号的微分电路；以及用于从参考电压减去微分电路输出电压的校正装置。

本发明的上述以及其他的特性和功能在下文结合它的最佳实施例参照附图更详细地加以说明。

在图中：

图1表示根据本发明的一个实施例的熔化极直流电弧焊机的电路原理图。

图2(a)-2(d)表示图1所示实施例中电路各部分的信号波形。

图3是一个表示最佳焊接状态的焊接部位截面图。

图4是根据本发明的另一实施例的熔化极直流电弧焊机的部分电路原理图。

图5是按照本发明的另一实施例的熔化极直流电弧焊机的电路原理图。

图6是根据本发明的又一个实施例的熔化极直流电弧焊机的电路原理图。

图7是表示图6所示的设备中采用的绝对值放大器的电路方框图。

在全部图中，相应的电路部件给予相同的参考标号。

参照图1，将例如从一个工业用200伏三相交流电源来的交流电加到输入端1a、1b和1c，并由例如具有二极管桥路结构的输入整流器2整流，由滤波电容器3滤波，然后供给逆变器4，逆变器4可由半导体开关元件桥路，如大家熟知的晶体三极管桥路组成。为了实现在高频状态下开关以产生高频交流电，逆变器4受到逆变控制电路5的控制。该高频交流电由一个输出变压器6适当降低电压，并且，由一个例如具有二极管桥路结构的输出整流器7整流。整流输出通过一个滤波和限流直流电抗器8送出，到达正的和负的输出端9p和9n之间。正输出端9p通过一根包覆绝缘的电缆10p连接到焊条11，该电焊条采用馈送装置13连续不断地从卷12送出。负输出端9n通过一根包覆绝缘的电缆10n连接到将被焊接的基底材料14上。电焊条11和基底材料14形成一个在其间产生电弧的焊接负载15。

在焊接操作期间，输出端9p和9n之间电压V以及流过焊接负载15的电流I分别按图2(a)和2(b)所示变化。在图2中，Ta和Ts分别表示电弧周期和短路周期。

输出变压器6有一个第二绕组6a，绕组6a两端的输出电压由一个辅助整流器16整流。整流器16的输出为一个负的辅助信号Sv，它通过一个输出电阻17加到一个具有非反相输入端接地的运算放大器18的反相输入端。一个反馈电阻9连接在运算放大器18的输出端和反相输入端之间。应注意的是，为了校正焊机输出电压，尽管希望检测输出端9p和9n之间的电压变化，但是短路期间的输出电压和电弧期间的输出电压两者之间差异太大以致不能处理它成

为对于要求的控制有用的形式。这就是为什么采用比输出端之间输出电压有较小变化的第二绕组6a之间电压的理由。

一个正的参考电压Sr从参考电压源21、比如电池通过电阻20送到运算放大器18的反相输入端。

焊接负载电流I由一个电流检测器22检测，检测器输出通过由电阻23和电容24的串联回路组成的微分器电路25微分。如图2(c)所示，微分电路25的输出Idif在短路周期起始后立即猛然上升，而后渐渐下降。在电弧周期的早先部分，输出Idif猛然下降，而之后渐渐复原。微分输出Idif由带有反馈电阻27的运算放大器26处理，一个负的校正信号Sx产生在运算放大器26的输出端。该负的校正信号Sx又通过一个电阻器28送到运算放大器18的反相输入端，因此，在运算放大器18的反相输入端的输入信号Sei的值等于Sr-Sv-Sx，而相应的输出作为一个误差信号Se送到逆变器控制电路5。逆变器控制电路5控制逆变器的输出，此后，焊机输出又消去了信号Se，从而稳定了焊机的输出。

在运算放大器18的反相输入端的输入信号Sei在短路周期起始后立即发生电平突降，而后渐渐复原，如图2(d)所示。相应地当焊机输出电流I的增长速率增加时，微分器输出Idif变得较高而校正信号Sx的电平变得较低，由此引起输入信号Sei的电平减小，其结果是焊机的输出电压和电流减少从而抑制飞溅的发生。此外，运算放大器18的反相输入端的输入信号Sei在电弧周期的早先部分上升，而在之后渐渐下降，如图示。

另一方面，例如当基底材料为厚板、输出电流的减少速率大时，微分器输出Idif变得较小，而校正信号Sx电平上升。在这种情况下，焊机的输出电压和电流增加，使得供给焊接负载的热量增加，结果得到如图3所示的一个宽而坚固的焊点29。反之，当基底材料为薄板时，输出电流减少小，而微分器输出Idif也小。因此输出电流被抑制、防止了基底材料的烧穿。

如图4所示，一个电容器30可与反馈电阻器27并联连接，这样电容器30、反馈阻器27和运算放大器26组成一个积分器电路31。在这种情况下，微分电路25的输出Idif的变化受积分电路31的抑制，因此，校正输出信号Sx的变化也减小。从而，误差信号Se的波动也相应减小，这样可以改善恒定电压控制。当在焊接期间电焊条11的熔化珠以喷射形式或点滴形式转移到基底材料14上时，该积分器电路31尤其有用。

当焊机输出电流小时，电焊条11可能被熔接到基底材料14上，以致短路状态被保持，而使焊机不能转变成电弧状态。

一个示于图5的实施例解决了这个问题。这实施例是示于图1实施例的一种改进型式。它与图1实施例区别在于一个输出电压检测器32连接在输出端9p和9n之间，而检测器输出又通过一个短路检测器33和一个电阻器34耦合到运算放大器18的反相输入端。短路检测器33根据电压检测器32的输出检测焊接负载的短路状态，并且在一个短路周期的预定长度过去时产生一个正的短路释放信号Sy。所以，在这个实施例中，一个电压为Sr-Sv-Sx+Sy的信号加到运算放大器18的反相输入端。因此，焊机输出电流出现一个相应于电压Sy的增加，从而迫使电焊条11熔化而离开基底材料14，这样，焊机快速脱离短路状态。

不过，在上述实施例中，焊接电流校正的实现没有考虑到焊接电焊条的直径和性能及保护气体的种类，在实际中，提供给焊接电流的校正量最好随这些参数变化。此外，在上述实施例中，电弧工作期间提供给焊接电流的校正量是固定的，但是该校正量最好是可变的，从而使供给焊接负载的热量也能调节。

在图6所示的实施例中，对焊接电流提供一种可变的校正量，该实施例也是图1所示实施例的一种改进型式。它与图1所示实施例不同在于一个电阻器35和一个绝对值放大器36连接在运算放大器26的输出和电阻器28之间。图6的焊机与图1不同之处还在于绝对值放大器36的输入端与一个电平选择开关37相连。开关37有分别由电阻器38a、38b和38c相连的固定触点37a、37b和37c，这些电阻均接地以构成分压器，给微分电路25的输出Idif提供一个所需的电平，这样，校正信号Sx的电平总体上可与所用的电焊条的直径和种类及所用的保护气体相适应。

图7表示一个绝对值放大器的实例。如图7所示，在绝对值放大器36中，来自微分电路25的微分输出Idif的正极性部分由整流器电路40检测，而不受极性相反的信号影响。整流器电路40的检测输出由具有固定增益的非反相放大器42放大。微分器输出Idif的负极性部分由整流器电路44检测，而不受极性相反的信号影响，并且整流器电路44的输出由非反相放大器46放大。放大器46的增益可用增益调节器39调节。各个放大器42和46的输出在组合器48中组合，其结果为校正信号Sx。因此，根据图6所示的实施例，仅有微分输出Idif的负极性部分能通过调节增益调节器的设定值来有选择地变动。这就能调节电弧周期的校正信号Sx的电平，并且供给焊接负载的热量也随之得到调节。如果没有特殊的要求，选择器开关37可以省去。

上述的实施例仅为说明的目的给出，而本发明不限于以上这些。对于本领域的技术人员，能在不脱离本发明所附权利要求限定的精神和范围下对实施例进行各种改进和变更。

Claims (5)

1.一种熔化极直流电弧焊机，包括：

一个用于整流输入交流电的输入整流器；

一个用于将上述输入整流器的输出变换成高频交流电的逆变器；

一个用于降低上述逆变器输出电压的输出变压器；

一个用于整流上述变压器的一个输出电压的输出整流器，提供施加于一个焊接负载的直流输出电压；以及

用于根据上述变压器的输出电压与一个预定参考电压之差控制上述逆变器的反馈控制装置；

检测流过上述焊接负载的电流、提供一个检测信号的装置；

其特征在于上述焊机还包括：

一个用于微分上述检测信号的微分电路；以及

用于从上述参考电压减去上述微分电路的输出电压的第一校正装置。

2.根据权利要求1的熔化极直流电弧焊机，其特征在于一个积分电路连接在上述微分电路和上述第一校正装置之间。

3.根据权利要求1的熔化极直流电弧焊机，其特征在于，上述焊机还包括用于检测上述焊接负载短路并在预定时间后提供一个短路释放信号的装置，以及用于将上述短路释放信号与上述参考电压相边的第二校正装置。

4.根据权利要求1的熔化极直流电弧焊机，其特征在于，多个分压器和一个用于选择上述分压器的开关连接在上述微分电路的输出。

5.根据权利要求1的熔化极直流电弧焊机，其特征在于，一个用于调整上述微分电路输出负电平的绝对值放大器连接在上述微分电路和上述第一校正装置之间。

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