专利名称：短路电弧焊接的电源及利用该电源的自动焊接机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用来进行短路电弧焊接的电源。本发明还涉及一种自动焊接机或者是一种采用这种电源的焊接器。如下所述，本发明的电源在设计上用来进行“颈缩电流控制”以及“电极的极性切换控制”。
背景技术：
现有技术中，电弧焊接广泛应用于金属工件的焊接中从而将两个或多个金属部件焊接在一起。以汽车工业为例，其中需要将金属组件焊接在一起以构成例如汽车座椅的框架。这种焊接框架可具有多个搭接，每个联接都具有一个不超过50mm的焊接长度。通常来讲，这种框架是由管、加强板等能够通过自动CO2电弧焊连接在一起的构件构成。用来制做框架的(管、加强板等)材料厚度可在0.7mm到2.0mm之间变化。为了实现可靠的连接，框架的焊缝(即搭接接头)必须具有足够的熔化深度。此外，电弧焊接中形成的焊渣不能粘在所获得的焊件上。一般来讲，CO2电弧焊是一种短路电弧焊，其中在短路形成并断开时容易形成焊渣。特别是在短路断开时，容易产生较大量的焊渣。
日本专利文献JP-B2-4-4074公开了一种防止焊渣形成的技术。在该常规方法中，焊条带正电(“正电极”模式)以进行短路电弧焊接，其中为了减少焊渣要对焊接电流Iw进行控制。图5所示为焊接电流Iw(曲线A)的波形，其具体展示了熔球1a从焊条1转变为基材2的情况(相态B～相态E)。
从图5可以看出，当焊条1上形成的熔球1a与基材2上的熔池2a接触时，焊条1和基材2形成短路(参见相态B)。此时，焊接电流Iw下降以减少焊渣的形成。
然后，焊接电流Iw升高从而在熔接部分2b上施加一个更强的电磁收缩力(参见相态C)。这能促使熔球从焊条1转移到基材2。
由于收缩力的升高，熔接部分2b转变成收缩部2c(参见相态D)。当收缩部2c被检测出来时，焊接电流Iw会在电弧形成之前迅速下落。这种电流下降的工艺，被称为“颈缩电流控制”，其能大大地降低电弧重起时产生的焊渣。为了获得这种电流下落，电源的DC输出与一个切换元件相连，其中有一个电阻与该切换元件并联。在未检测出收缩部时，切换元件保持在导通状态从而使旁边的电阻短路。一旦检测出收缩部，切换元件就关断从而使DC电源输入到电阻。由此可使焊接电流Iw迅速下降。
在收缩部2c形成的时候，熔接部分2b的电阻升高。这种电阻的上升会反映在焊接电压的变化速率(dv/dt)以及焊接电流(dR/dt)的变化速率上。因此，可通过速率dv/dt或者dR/dt的监测来检测出收缩部2c。
在图5的相态D之后，电弧3再次形成(参见相态E)。为了保持电弧3，焊接电流Iw升高。
在短路期间，必须对焊接电流Iw进行精确控制。因此电源的输出特性必须是恒定电流特性。另一方面，在电弧再次生成期间，电源应具有恒定电势的特性从而使电弧具有合适的长度。
尽管上述这种现有的技术有助于焊渣的减少，但其仍会出现图6A和6B所示的缺陷。特别是在这些图中将两个金属板焊接起来的时候。其中每一个金属板的厚度都相对较小(例如小于1mm)。此外，上下板之间不可避免会出现缝隙。当现有的这种焊接技术来焊薄板时，由于会有过多的热量输入，因此下板可能会形成烧穿孔。
现在参见图7，图7所示为常规焊接电流Iw的波形图(例如参见日本专利文献JP-A-11-226730)。Tep期间的焊接电流Iw以“正极”模式供入，而Ten期间的焊接电流Iw则以“负极”模式供入。恰当地设定周期T(＝Tep+Ten)以及焊接电流Iw极性交替变化的速率Tep/(Tep+Ten)，现有的这种技术就能够使熔融的深度很浅。因此，就可避免图6A-6B所示的烧穿孔问题。然而这种交变的现有技术很容易在焊条与基材之间出现短路和短路断开时产生大量的焊渣。
发明内容
本发明正是在上述的这种条件下提出的。由此，本发明的一个目的是提供一种进行无渣的短路电弧焊接电源，即使是相对很薄的基材也不出现烧穿孔。
本发明的第一方面是提供一种用于短路电弧焊接的电源。该电源包括一个主电源电路，其用来输出直流电；一个主控制器，其用来控制主电源电路的输出并进给焊条；一个极性切换电路，其包括一个正极切换元件以及一个负极切换元件以便在主电源电路直流电的基础上有选择地以正极电压和负极电压提供电弧负载；一个第一单元，其包括一个第一切换元件以及第一电阻，该第一电阻与第一切换元件串联，该第一单元与正极切换元件并联；一个第二单元，其包括一个第二切换元件以及第二电阻，该第二电阻与第二切换元件串联，该第二单元与负极切换元件并联；一个颈缩确定电路，其至少基于焊接电压变化和焊接电流变化中的一个来确定焊条和基料之间的熔接部分中是否出现收缩部，从而输出颈缩确定信号；一个驱动电路，其仅在正极极性设定信号从外部输入到电源并且没有颈缩确定信号输出时将正极切换元件设成导通状态；一个驱动电路，其仅在负极极性设定信号从外部输入到电源并且没有颈缩确定信号输出时将负极切换元件设成导通状态；一个驱动电路，其仅在提供有正极极性设定信号并且有颈缩确定信号输出时将所述第一切换元件设成导通状态，从而使焊接电流迅速下降；一个驱动电路，其仅在提供有负极极性设定信号并且有颈缩确定信号输出时将所述第二切换元件设成导通状态，从而使焊接电流迅速下降。
本发明的第二方面提供一种带有上述电源的自动焊接机。该焊接机进一步包括一个焊接手臂，以及手臂控制器。其中的手臂控制器用来控制焊接手臂的移动，并向电源发送焊接状态设定信号。该焊接状态设定信号可包括一个极性设定信号，该信号适应于基材的焊接区域。
结合附图参考以下的说明，本发明的其它特征和优点将更加清楚。
图1是本发明用于短路电弧焊接的电源第一实施方案的块图；图2是图1中电源所用信号的时间图；
图3示意性地展示了本发明第二实施方案的自动焊接机；图4所示为一例焊接体，其包括有加强板，该板焊接到一个薄壁管和一个厚壁管上；图5所示为常规的电弧焊接电源中所用焊接电流Iw的波形图以及熔球从焊条转移到基材时的情况；图6A和6B所示为常规电弧焊接产生的焊接缺陷；以及图7所示为另一种常规的电弧焊接电源中所用焊接电流Iw的波形图。
具体实施例方式
下面参考附图来描述本发明的优选实施方案。
图1是本发明电弧焊接电源第一实施方案的块图。所示电源包括下面的特征。
主电源电路PMC将输入的交流电转换成直流输出。其中的输入例如可以是市场上可获得的200V三相交流电。主电源电路PMC包括一个变换器INV(其包括一个对输入电进行整流的整流器)、一个高频变压器INT、第二整流器D2a～D2d，以及电抗器WL。具体地说，变换器INV将整流后的输入变为高频交流电。高频变压器INT将该高频电压变成适用于所需焊接操作的低压。第二整流器D2a～D2d对降压后的交流电进行整流从而输出正DC电和负DC电。电抗器WL使输出的DC电更为平滑。
上述正负DC电通过极性切换电路SWP有选择地供到负载(即电弧3)上。为了达到选择的目的，极性切换电路SWP包括一个“正极”切换元件PTR以及一个“负极”切换元件NTR。当“正极”切换元件PTR导通时，焊条1带正电，而当“负极”切换元件NTR导通时，焊条1带负电。
“正极”切换元件PTR与切换元件TR1和电阻R1形成的组合并联(其中电阻R1与切换元件TR1串联)。同样，“负极”切换元件NTR与切换元件TR2和电阻R2形成的组合并联(其中电阻R2与切换元件TR2串联)。
焊条1穿过焊枪4。为了不断地补给所消耗的部分，焊条1穿过焊枪4并通过进给辊5a的旋转而向前馈送。焊条1和基材2之间根据焊接电压Vw和焊接电流Iw形成电弧3。
电压检测器VD检测焊接电压Vw并相应于检测的焊接电压Vw的绝对值输出一个电压检测信号Vd。颈缩确定器ND确定出焊条1和基材2之间的熔接部分是否出现收缩部。为此，颈缩确定器ND要对电压检测信号Vd的变化速率(即dVd/dt)进行监测。当收缩部出现时，该颈缩确定器ND输出一个颈缩确定信号Nd。收缩部的出现表明焊条1和基材2之间的电流短路状态将很快转变成电弧生成状态。
驱动电路EPD输出一个驱动信号Epd从而控制“正极”切换元件PTR的导通/非导通状态。根据该驱动信号Epd，切换元件PTR仅在极性设定信号Spn(从电源外部供入)处于前述的“高”电位并且颈缩确定信号Nd没有输出(颈缩确定信号Nd处于低电位)时处于导通状态。同样，驱动电路END输出一个驱动信号End从而控制“负极”切换元件NTR的导通/非导通状态。根据该驱动信号End，切换元件NTR仅在极性设定信号Spn处于前述的“低”电位(与极性设定信号Spn的上述“高”电位相比)并且颈缩确定信号Nd没有输出时处于导通状态。
驱动电路DV1输出一个驱动信号Dv1从而控制切换元件TR1的导通/非导通状态。根据该驱动信号Dv1，切换元件TR1仅在极性设定信号Spn处于高电位并且颈缩确定信号Nd被输出时处于导通状态。同样，驱动电路DV2输出一个驱动信号Dv2从而控制切换元件TR2的导通/非导通状态。根据该驱动信号Dv2，驱动电路DV2仅在极性设定信号Spn处于低电位并且颈缩确定信号Nd被输出时处于导通状态。
对于上述结构来说，当极性设定信号Spn处于高电位并且没有颈缩确定信号Nd输出时(“正极”情况)，切换元件PTR处于导通状态，并且焊接电流Iw按顺序流过“正极”切换元件PTR、焊条1、基材2以及电抗器WL。然后，当颈缩确定信号Nd被输出时，变换器关断从而使主电源MPC停止输出。与此同时，切换元件PTR处于非导通状态，而切换元件TR1处于导通状态。结果，存贮在电抗器WL中的能量经电阻R1、切换元件TR1、焊条1、基材2以及电抗器WL释放出来。释放的速率正比于L/R，其中L为电抗器WL的电感[H]，并且R为电阻R1的电阻[·]。在没有电阻R1的情况下，图1中电源的内部电阻在0.01～0.05·。在电阻R1(R＝0.5·)布置在电路中时，如图1所示，放电速率(换句话说就是电流的下降速率)成十倍或更多倍地下降。
显然，“负极”的情况同样能实现相同的电流下降操作。具体地说，极性设定信号Spn处于低电位(即“负极”情况)，颈缩确定信号Nd从低电位(没有输出电位)变到高位(输出电位)。结果，变换器关断切换元件NTR处于非导通状态，并且切换元件TR2处于导通状态。
电流检测器ID检测焊接电流Iw从而相应于被检测的焊接电流Iw的绝对值输出一个电流检测信号Id。主控器MCC控制主电源电路PMC的输出以及焊条的进给操作以便补给焊条1。该主控器包括下述构造。
短路确定电路SD基于电压检测信号Vd输出短路确定信号Sd。电压设定电路VR输出电压设定信号Vr以便进行所需的电压设定。电流设定电路IR输出电流设定信号Ir，以便在短路期间设定焊接电流Iw。电压误差放大器EV将电压设定信号Vr和电压检测信号Vd之间的差值放大，从而输出电压误差放大信号Ev。电流误差放大器EI将电流设定信号Ir和电流检测信号Id之间的差值放大，从而输出电流误差放大信号Ei。当短路确定信号Sd处于低电位(在电弧生成期间)时，外部动态切换电路SC切换到a侧(参见图1)。此时，上述的电压误差放大信号Ev作为误差放大信号Ea从切换电路SC输出。另一方面，当短路确定信号Sd处于高电位(在短路期间)时，外部动态切换电路SC切换到b侧，从而将电流误差放大信号Ei作为误差放大信号Ea输出。当采用这种布置时，该电源在电弧生成期间会处于“恒电势特性”模式，而在短路期间会处于“恒电流特性”模式。基于该误差放大信号Ea，脉冲宽度调制控制电路PWM输出控制信号Pwm以便相对于变换器INV进行PWM控制。
现在参见图2，图2所示为本发明电源上述信号Spn、Iw、Sd、Nd、Epd、Dv1、End、Dv2(A～H)的时间图。该时间图总的来说被分成两个期间“正极”期间Tep和“负极”期间Ten。
(1)正极期间Tep--极性设定信号Spn(A)处于高电位--短路确定信号Sd(C)在短路期间Ts(t1～t3)处于高电位，在电弧生成期间Ta(t3～t4)处于低电位。当颈缩出现时，颈缩确定信号Nd(D)在高电位持续t2～t3。当颈缩确定信号Nd处于低电位(t1～t2、t3～t4)时，用于“正极”切换元件PTR的驱动信号Epd(E)处于高电位。此时，切换元件PTR保持在导通状态。当颈缩确定信号Nd处于高电位(t2～t3)时，切换元件TR1的驱动信号Dv1(F)处于高电位。此时，切换元件TR1保持在导通状态。
(2)负极期间Ten--极性设定信号Spn(A)处于低电位--短路确定信号Sd(C)在短路期间Ts(t5～t7)处于高电位，在电弧生成期间Ta(t7～t8)处于低电位。当颈缩出现时，颈缩确定信号Nd(D)在高电位持续t6～t7。当颈缩确定信号Nd处于低电位(t5～t6、t7～t8)时，用于“负极”切换元件NTR的驱动信号End(G)处于高电位。此时，切换元件NTR保持在导通状态。当颈缩确定信号Nd处于高电位(t6-t7)时，切换元件TR2的驱动信号Dv2(H)处于高电位。此时，切换元件TR2保持在导通状态。
当短路电弧焊接机采用上述电源时，其能对很薄的材料(例如，厚度不超过1mm)进行合适的焊接操作，这一点常规的电源是做不到的。具体地说，在将薄金属材料(板、管等)焊接起来时，极性设定信号Spn设定到低电位，这样就能在“负极”模式下进行焊接操作。此时，输入到基材中的焊接热可大大降低从而防止基材中出现缺陷(如烧穿孔)。此外，颈缩电流控制在“负极”模式下有助于低焊渣焊接。对于相对较厚的材料(例如，厚度大于1mm)来说，极性设定信号Spn设定到高电位，从而就能在“正极”模式下进行焊接操作。这样能够确保基材中具有足够的熔融深度。而且，伴随的颈缩电流控制有助于进行低焊渣焊接。
图3示意性地展示了本发明第二实施方案的自动焊接机。该焊接机包括上述第一实施方案的一个电源PS，以及一个用来控制焊接手臂RM操作的手臂控制器RC。
为了使焊接手臂RM按照工作程序工作，手臂控制器RC给焊接手臂RM中的伺服电机(图中未示出)发送操作控制信号Mc。此外，手臂控制器RC给电源PS发送焊接状态设定信号Ws。该焊接状态设定信号Ws可包括输出开始信号、电压设定信号、进给速率设定信号以及本发明第一实施方案中描述的极性设定信号Spn。安装在焊接手臂RM上的焊条进给电机WM用来使焊条1穿过焊枪4。焊接电压Vw的极性可根据极性设定信号Spn进行切换。
图4所示为一例焊接体，其由图3所示自动焊接机组合而成。在该图中，标记6a表示一厚度为0.8mm的薄壁管，标记6b表示一厚度为1.6mm的厚壁管，标记6c表示一加强板。因厚度很小(不超过1mm)，薄壁管6a以“负极”模式(极性设定信号Spn处于低电位)焊接到加强板6c上(参见焊接区7a)。另一方面，因厚度较大，另一根管6b以“正极”模式(极性设定信号Spn处于高电位)焊接到加强板6c上(参见焊接区7b)。在“负极”模式或“正极”模式操作下，均进行颈缩电流控制以减少焊渣。因此，采用本发明的焊接机时，其焊接没有焊渣，没有烧穿孔。
根据本发明上面的描述可知，本发明还有许多变化方式。这种变化不应被看成是在本发明的发明构思和范围之外。对于本领域技术人员来说，那些显而易见的变化均包括在本发明权利要求的保护范围之内。
权利要求
1.一种用于短路电弧焊接的电源，其特征在于，该电源包括主电源电路，其用来输出直流电；主控制器，其用来控制主电源电路的输出并进给焊条；极性切换电路，其包括正极切换元件和负极切换元件，以便基于主电源电路的直流电有选择地以正极电压和负极电压提供电弧负载；第一单元，其包括第一切换元件以及第一电阻，该第一电阻与第一切换元件串联，该第一单元与正极切换元件并联；第二单元，其包括第二切换元件以及第二电阻，该第二电阻与第二切换元件串联，该第二单元与负极切换元件并联；颈缩确定电路，其至少基于焊接电压变化和焊接电流变化中的一个来确定焊条和基料之间的熔接部分中是否出现收缩部从而输出颈缩确定信号；驱动电路，其仅在正极极性设定信号从外部输入到电源并且没有颈缩确定信号输出时将正极切换元件设成导通状态；驱动电路，其仅在负极极性设定信号从外部输入到电源并且没有颈缩确定信号输出时，将负极切换元件设成导通状态；驱动电路，其仅在提供有正极极性设定信号并且有颈缩确定信号输出时，将所述第一切换元件设成导通状态从而使焊接电流迅速下降；以及驱动电路，其仅在提供有负极极性设定信号并且有颈缩确定信号输出时，将所述第二切换元件设成导通状态从而使焊接电流迅速下降。
2.一种自动焊接机，其特征在于，其包括如权利要求1所述的电源；焊接手臂；以及手臂控制器；其中的手臂控制器用来控制焊接手臂的移动，并向电源发送焊接状态设定信号，该焊接状态设定信号包括与基材的焊接区域相对应的极性设定信号。
全文摘要
一种用于电弧焊接的电源。该电源包括切换元件PTR、NTR，其用来切换来自电源电路PMC的直流电压的极性。元件PTR与切换元件TR1和电阻R1并联。同样，元件NTR与切换元件TR2和电阻R2并联。颈缩确定器ND确定出焊条和基材之间的熔接部分是否出现收缩部。当在“正极”模式下出现收缩部时，切换元件PTR切断，切换元件TR1处于导通状态。当在“负极”模式下出现收缩部时，切换元件NTR切断，切换元件TR2处于导通状态。
文档编号H02M7/12GK1496775SQ0313480
公开日2004年5月19日 申请日期2003年9月24日 优先权日2002年9月26日
发明者上山智之, 上园敏郎, 森本庆树, 树, 郎 申请人:株式会社大亨