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具有短路電弧熔滴控制功能的焊機的製作方法

2023-05-10 19:36:31

專利名稱:具有短路電弧熔滴控制功能的焊機的製作方法
技術領域:
本實用新型涉及一種具有短路電弧熔滴控制功能的焊機。
背景技術:
熔化極氣體保護電弧焊(GMAW)是一種表面堆焊方式,將一種或者多種金屬材料,通過焊接或者釺焊的手段,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帶狀金屬。焊接電源的作用是將填充材料按照要求進行持續熔化。焊接過程包括兩個時間區間:電弧燃燒區間和短路區間。在電弧燃燒區間,隨著電弧的熱量作用,填充材料不斷的熔化,形成熔滴。隨著填充材料持續不斷的往工件移動,熔滴越來越大。最後,熔滴和焊接熔池接觸,形成短路,進入短路區間。短路導致電流迅速增大,增大的電流將導致短路的液態金屬連接橋斷開,電弧將再次點燃,回到電弧燃燒區間。在短路區間,液態金屬完成了從焊絲末端到工件的轉移,並且在此區間由於大電流的作用,產生了大量的能量,並且重新引弧的時機是完全隨機的。在短路區間最後瞬間,時常會出現了瞬時的高電流和高電壓同時並存 的情況,導致焊接出現不希望有的飛濺,飛濺主要發生在液態金屬段路橋斷開到電弧重新引燃的瞬間。

實用新型內容目的:為了克服現有技術中存在的不足,本實用新型提供一種具有短路電弧熔滴控制功能的焊機,解決現有技術的缺陷,減少焊接過程中液態金屬的飛濺,增強了操作的安全性,降低成本,提高生產效率。技術方案:為解決上述技術問題,本實用新型採用的技術方案為: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、參數設定裝置;所述逆變焊接電源模塊與焊接件相連構成焊接迴路,所述逆變器控制部件與逆變焊接電源模塊相連用於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接入焊接迴路;所述電壓傳感器與焊接件並聯,用於測量焊接電壓瞬時值,電流傳感器與焊接件串聯,用於測量焊接電流瞬時值;所述參數設定裝置與反向電壓源控制部件相連,用於給定焊接過程中電流和電壓的設定值;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。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脈衝寬度調製方式的逆變器。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成焊接迴路。所述逆變焊接電源模塊,為從電網獲得的供電電源,經過三相整流橋和同步時鐘Syn同步工作的PWM (脈衝寬度調製)逆變迴路,給逆變器提供輸入,逆變器的次級經過整流後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。所述逆變焊接電源模塊與焊接電極之間,依次串聯有平波電抗器和線路等效電感。 所述工件與逆變焊接電源模塊之間串聯有電流傳感器,所述電流傳感器一路通過第一開關直接與工件連接,另一路通過相串聯的反向電壓源和第二開關與工件連接;所述第一開關和第二開關由反向電壓源控制部件控制開關。所述第一開關和第二開關為IGBT或MOSFET。所述電壓傳感器,用於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,用於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設定裝置中安裝有微控制器或DSP (數位訊號處理)控制器。有益效果:本實用新型提供的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機,採用了與逆變器觸發頻率的脈衝信號同步的採樣頻率來採樣,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反向電壓源的開通時機就和實際焊接短路區間的時間點更加接近,電流降低的時機越準確,下降的幅度越恰當,焊接的飛濺就能越好的被控制住;在短路區間裡,當焊接電流和焊接電壓出現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金屬的飛濺,增強了操作的安全性,降低成本,提高生產效率。

圖1為本實用新型 的電路示意圖;圖2為現有技術的焊接的兩個區間對應的焊接電壓U和焊接電流I的曲線圖;圖3是本實用新型焊接的兩個區間對應的焊接電壓U和焊接電流I的曲線圖;圖4為本實用新型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3,第二開關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,工件10,電壓傳感器11,電流傳感器12,參數設定裝置13。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作更進一步的說明。如圖1所示,為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
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、參數設定裝置13 ;所述逆變焊接電源模塊I與焊接件相連構成焊接迴路,所述逆變器控制部件2與逆變焊接電源模塊I相連用於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接入焊接迴路;所述電壓傳感器11與焊接件並聯,用於測量焊接電壓瞬時值,電流傳感器12與焊接件串聯,用於測量焊接電流瞬時值;所述參數設定裝置13與反向電壓源控制部件6相連,用於給定焊接過程中電流和電壓的設定值;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信號同步。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脈衝寬度調製方式的逆變器。所述焊接件包括焊接電極9和工件10 ;所述逆變焊接電源模塊1,兩端分別與焊接電極9和工件10相連構成焊接迴路。所述逆變焊接電源模塊I,為從電網獲得的供電電源,經過三相整流橋和同步時鐘Syn同步工作的PWM脈衝寬度調製逆變迴路,給逆變器提供輸入,逆變器的次級經過整流後輸出兩端分別與焊接電極9和工件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,依次串聯有平波電抗器7和線路等效電感8。所述工件10與逆變焊接電源模塊I之間串聯有電流傳感器12,所述電流傳感器12 —路通過第一開關3直接與工件10連接,另一路通過相串聯的反向電壓源5和第二開關4與工件10連接;所述第一開關3和第二開關4由反向電壓源控制部件6控制開關。所述第一開關3和第二開關4為IGBT或MOSFET。所述電壓傳感器11,用於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,用於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和參數設定裝置13中安裝有微控制器或DSP控制器。本實用新型提供的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機,從電網輸入的交流電通過逆變器轉換,一端輸出給第一開關3直接與工件10,組成第一個焊接電流迴路,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構成的第二個焊接電流迴路,平波電抗器7和線路等效電感8產生的電流衝擊通過逆變焊接電源模塊I內部的續流二極體來釋放。另一個電流迴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設條件時,將反向電壓源電壓源串聯到電流迴路,滿足第二個預設條件時,將反向電壓源從焊接迴路中斷開。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信號同步。電壓傳感器11負責採集焊接電壓,電流傳感器12負責採集焊接電流;採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6,參數設定裝置(13)負責給定焊接過程中的第一預設條件和第二預設條件。工件10所連的為負極,我們將工件10上的電壓作為基準電平來進行參照。電流迴路可串聯一個反向電壓源5為直流電壓源,極性如圖所示,用+,-來標示。可以根據需要通過第一開關3和第二開關4將反向電壓源5連接到電流迴路。第一開關3和第二開關4為互鎖的開關,反向電壓源5可以通過這對互鎖的開關來實現切換,接入到電流迴路或是被旁路。當需要接入反向電壓源5時,第一開關3斷開,同時第二開關4閉合。相對的,不需要接入反向電壓源5時,第一開關3閉合,同時第二開關4斷開,橋接掉反向電壓源5。參數設定裝置13,用於給定電流和電壓的設定值:設定電壓US set,和設定電流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。當在此焊接迴路中,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的控制將另一個反向電壓源5串聯到焊接迴路,焊接過程中,通過電壓傳感器11和電流傳感器12實時採樣焊接電壓電流的典型值曲線,獲得並存儲與逆變器的觸發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需要進行調節的,逆變器在焊接的兩個區間裡,電壓特性、功率輸出特性、阻抗特性是可以根據需要進行調節的,逆變器在焊接的兩個區間裡,可以工作在不同的控制類型。當焊接過程出現第一個預設條件,控制系統將反向電壓源接入到電流迴路;當出現第二個預設條件,控制系統將會將反向 電壓源從焊接電流迴路中斷開。在逆變器電壓的輸出觸發期間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。第一個預設條件、第二預設條件可以同以下參數中的一個或幾個相關: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,例如光輻射,聲場變化,電場變化以及磁場變化;在此,第一個預設條件和第二個預設條件的判斷和執行,可以通過控制部分的程序軟體的方式來實現。焊接電壓的瞬時值採集數據分為兩個變量,第一個變量是,通過逆變器的觸發同步脈衝,可以準確的獲得逆變器輸出停頓時間t2的實時焊接電壓值。另一個的變量是,通過逆變器的觸發同步脈衝,獲得逆變器觸發時刻tl的實時焊接電壓值。通過監測以上兩個變量。當測量電壓的瞬時值出現了預先定義好的條件(「反向電壓源的觸發條件」),反向電壓源接入電流迴路。預先定義的條件需要根據工藝環境來確定。焊接過程中的其他的電流電壓特徵作為從屬參數,作為評判的參考依據。本實用新型一個最有利的地方,就是顯著降低了焊接的飛濺。反向電壓源的輸出可調幅值範圍控制在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。同時還規定,反向電壓源的開通條件可以按照序列和統計得到一個觸發條件的集合。當第二個觸發條件(「熔滴過渡結束」)滿足時,反向電壓源的從電流迴路斷開。本觸發條件和電流的值直接相關。將焊接電流的尖峰過程結束作為判斷依據。同時,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。事實上,其他焊接參數,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聯參數考慮進來。為了及時準確判斷「反向電壓源的觸發條件」,可以採用了以下判斷方法:持續比較兩個測量值,當兩個值之間的差值超過預定值,可以認為條件達到。另外一種觸發方式為: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徵值進行比較,作為依據。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間對應的焊接電壓U和焊接電流I的曲線,其中,圖2為現有技術的電流電壓波形,圖3是本實用新型的電流電壓波形。如圖2所示,在第一個焊接過程(區間1),電弧燃燒,在焊接電極和工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。隨著熔滴的不斷增大,進入短路過程(區間2)。由於液態金屬在焊接電極和工件之間形成短路橋。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,並最終斷裂。液態金屬完成了從焊接電極到工件的轉移過程。所以短路過程也可以稱作是熔滴轉移的過程。在短路過程的最後階段,金屬短路橋斷開,熔滴完全脫落,進入第三個過程(區間3)電弧重新引燃。在短路過程的結束時刻,將會同時檢測到突然增大的焊接電壓,以及仍然處於很高的焊接電流。本實用新型提供了一個測量實時焊接電壓Us的裝置。電壓採樣利用了和逆變器觸發頻率同步的波形,如圖4所示。逆變器的輸出電壓Uinv的周期圖中用T來表示,分為逆變開通觸發時間tl和停止時間t2。焊接電壓的實時測量值和同步脈衝Syn同步,一個周期採樣兩個電壓值,逆變器觸發開通時刻(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來執行的,同時該部件還存儲這些採集到的電壓值。反向電壓源控制部件6始終實時的採集上面描述的電壓值,當此電壓值出現急速上升時,這就代表當前的熔滴已經完成脫落。同樣也代表了區間2短路區間的結束。通過給定合適的觸發條件,精確的確定好熔滴分離的時機。控制第二開關4閉合,第一開關3斷開,將反向電壓源接入到電流迴路。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顯示的是經過本實用新型控制之後的焊接電流和電壓的曲線,對比圖2,可以發現,從焊接電壓突然上升之後,焊接電壓經過反向電壓源UG的作用,在熔滴分離,也就是短路過程結束之後,電流和電壓的值顯著降低。電流的下降速度dl/dt,取決於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。至於「反向電壓源觸發接入」的時機,可以通過圖1中的參數設定裝置13來設定。可以根據不同的焊接電流電壓,實際的焊接情況,來預先設定好相對應的閥值或者是差值。當焊接電壓達到閥值時,反向電壓源觸發接入。也可以比較相鄰的兩個採樣電壓值,當偏差超過預先定義的差值時。控制方向電壓源接入。作為一種替代方法,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和工件10。以便焊接電壓實際值的採樣儘可能的真實。以上所述僅是本實用新型的優選實施方式,應當指出:對於本實用新型領域的普通技術人員來說,在不脫離本實用新型原理的前提下,還可以做出若干改進和潤飾,這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範 圍。
權利要求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、參數設定裝置; 所述逆變焊接電源模塊與焊接件相連構成焊接迴路,所述逆變器控制部件與逆變焊接電源模塊相連用於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接入焊接迴路;所述電壓傳感器與焊接件並聯,用於測量焊接電壓瞬時值,電流傳感器與焊接件串聯,用於測量焊接電流瞬時值;所述參數設定裝置與反向電壓源控制部件相連,用於給定焊接過程中電流和電壓的設定值;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.根據權利要求1所述的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機,其特徵在於: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脈衝寬度調製方式的逆變器。
3.根據權利要 求2所述的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機,其特徵在於: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成焊接迴路。
4.根據權利要求2所述的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機,其特徵在於:所述逆變焊接電源模塊,為從電網獲得的供電電源,經過三相整流橋和同步時鐘Syn同步工作的PWM脈衝寬度調製逆變迴路,給逆變器提供輸入,逆變器的次級經過整流後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.根據權利要求3所述的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機,其特徵在於:所述逆變焊接電源模塊與焊接電極之間,依次串聯有平波電抗器和線路等效電感。
6.根據權利要求3所述的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機,其特徵在於:所述工件與逆變焊接電源模塊之間串聯有電流傳感器,所述電流傳感器一路通過第一開關直接與工件連接,另一路通過相串聯的反向電壓源和第二開關與工件連接;所述第一開關和第二開關由反向電壓源控制部件控制開關。
7.根據權利要求6所述的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機,其特徵在於:所述第一開關和第二開關為IGBT或MOSFET。
8.根據權利要求1所述的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機,其特徵在於:所述電壓傳感器,用於測量焊接電壓瞬時值中有代表性的電壓值。
9.根據權利要求1所述的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機,其特徵在於:所述電流傳感器,用於測量焊接電流瞬時值中有代表性的電流值。
10.根據權利要求1所述的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機,其特徵在於:所述逆變器控制部件、反向電壓源控制部件和參數設定裝置中安裝有微控制器或DSP控制器。
專利摘要本實用新型公開了一種具有短路電弧熔滴控制功能的焊機,用於熔化極氣體保護焊,系統包括一個採用PWM脈寬調製控制方式的逆變器,提供焊接所需的能量,提供焊接電極和工件,當在此焊接電流迴路中,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。本實用新型提供的具有短路電弧熔滴控制功能的焊機,採用與逆變器觸發頻率的脈衝信號同步的採樣頻率來採樣,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反向電壓源的開通時機就和實際焊接短路區間的時間點更加接近,顯著減少焊接過程中液態金屬的飛濺,從而增強了操作的安全性,降低成本,提高生產效率。
文檔編號B23K9/095GK203091930SQ20132002132
公開日2013年7月31日 申請日期2013年1月16日 優先權日2013年1月16日
發明者曾堯 申請人:伊達新技術電源(崑山)有限公司

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