专利名称：用于降低短路过渡气体保护焊飞溅的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及焊接方法和设备，特别是一种减少短路过渡气体保护焊飞溅的方法和一种用于实现该方法的系统。
背景技术：
短路过渡气体保护焊包括二氧化碳气体保护焊、混合气体保护焊和熔化极氩弧焊等熔滴过渡存在短路过渡方式的气体保护焊方法。具有生产率高、成本低、焊接变形小、适用范围广、便于全位置焊接和易于实现焊接自动化等优点，在生产中具有广泛的应用。短路过渡气体保护焊存在的主要缺点是焊接飞溅大。焊接飞溅恶化生产条件和环境，降低焊丝的利用率，破坏电弧的稳定性，降低焊缝质量。
传统的短路过渡气体保护焊机由焊接电源、焊丝送进机构和气体保护系统等组成。在焊接过程中，当焊丝熔化产生的金属熔滴与工件短路时，形成短路液桥，焊接回路电流也迅速增加。短路液桥在电流的电磁力、重力和液态金属的表面张力作用下逐渐收缩，液桥直径越来越细。当到达某一临界直径时，液桥在很大峰值电流作用下，以爆炸的方式断开恢复燃弧状态。在传统方法的焊接电源中利用串联电感或电子电抗器来限制短路电流的增长率，以便抑制峰值电流和焊接飞溅。但是，由于短路液桥的收缩和过渡也要依靠较大的短路电流，否则无法保证熔滴的正常过渡，因此传统的抑制飞溅方法焊接飞溅仍很大。
国内外同行近年来在这方面进行了大量的研究工作。焊接飞溅产生的主要原因是由于短路液桥在短路后期的在大电流作用下爆炸引起的。为了降低焊接飞溅，国内外采取了各种各样的方法，大致可以分为四大类第一类是常规的方法，如改变气体成分，采用电子电抗器，控制焊接回路电流增长率等方法，这类方法比较简单，效果有限。第二类是通过控制送丝，力图采用控制焊丝的瞬间回抽，拉断液桥，以机械力来代替电磁力，帮助熔滴过渡，减少飞溅。但是由于焊丝在送丝管中运动的滞后，不可能做到液桥收缩过程、电流控制过程和焊丝运动过程三者同步，因此只能是一种理想的但是不可能实现的方案。第三类方法是采用波形控制的方法，由于熔滴过渡过程的随机性和分散性，预置的电流波形难以与熔滴过渡过程同步；而且不适当的波形控制会影响电弧的自调性能和焊缝的熔深与成形。第四类方法是检测熔滴过渡过程通过电源控制焊接电流。由于短路液桥收缩过程的状态检测十分困难，常规的检测方法难以判断液桥收缩过程和状态。有的方法采用测量导电咀与工件之间的电压、电压变化量、电压变化率、电阻等来表征液桥直径。但是上述物理量并不能反映液桥直径的大小，因为上述测试量中包括了液桥电流和焊丝干伸长度(从导电咀到液桥之间的焊丝长度)电阻的影响。有的方法(日本专利昭59-199173)采用测量导电咀与工件之间的电阻变化率来表示液桥收缩状态，但是在焊抢和工件之间连接测试线的方法在生产中是不实用的。因为电弧和工件的高温以及工地环境很容易造成检测线损坏、短路、断路和无效。而且对于生产应用中的大多数半自动焊机，到焊枪导电咀的检测线难以连接。所以，如何从焊机的输出端直接准确测量出远离输出端的短路液桥直径和收缩状态，一直是同行关心的难题。关于降低液桥电流的方法，由于这种焊接方法需要限制焊机输出电流的增长率，焊机输出前都串联一个很大的直流电感。因此在此直流电感前面的任何控制都会因为动态响应不足而使控制无效。因为直流电感的存在，任何控制都不可能在短路状态下100多微秒内将上千安培液桥电流降下来，电流的过渡过程比液桥的收缩爆断过程要慢得多。有的方法采用在焊接回路串联器件企图控制液桥后期电流，但是由于液桥电流需要很快的下降速度，由于焊机上述串联直流电感的存在，快速变化的液桥电流会在控制器件两端会出现很高的过电压，反过来说，液桥电流不可能快速降下来。此外，在焊接回路中串联控制器件会产生很大的功耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于降低短路过渡气体保护焊飞溅的方法。
根据本发明，提供了一种用于降低短路过渡气体保护焊飞溅的方法，所述方法是在焊接过程中通过检测焊接回路的电阻变化率或焊接回路阻抗变化率来判断短路液桥直径，当焊接回路的电阻变化率或焊接回路阻抗变化率增长到某一数值时，表明液桥直径收缩到临界值，接入旁路支路，对短路液桥电流进行旁路分流控制，将液桥电流迅速地降下来，并维持到液桥的断开，使液桥在很小的电流下柔顺过渡。
在上述方法中，旁路支路的开通是根据焊接回路的电阻变化率。所述判断短路液桥收缩过程直径的焊接回路的电阻变化率是通过下列方法获得采用焊机输出电压减去一项与电缆电感压降相等的等效电压，将所得差值除以焊接回路电流，再对上述的商进行微分，所得结果为焊接回路的电阻变化率。
在上述方法中，旁路支路的开通是根据焊接回路的阻抗变化率的。所述判断短路液桥收缩过程直径的焊接回路的阻抗变化率是通过下列方法获得采用焊机输出电压除以焊接回路电流，再对上述的商进行微分，所得结果为焊接回路的阻抗变化率。
在上述方法中，当本方法用于可控硅整流焊机时，为了防止焊接电源整流换相或可控硅管导通时对短路液桥状态和直径的检测和判断造成干扰和导致系统的误判断，所述短路液桥直径的检测和判断系统，采用焊接回路电流的两次微分信号对焊接电源的整流换相和可控硅导通时产生的对液桥检测系统的干扰进行封锁，避免液桥检测系统的误判断。
在上述方法中，所述短路液桥电流旁路分流控制过程是采用液桥电流闭环反馈控制方法来降低和控制液桥后期电流和液桥断开后燃弧前期电流。
在上述方法中，在所述短路液桥电流闭环旁路控制系统的旁路支路中串入电容器。该电容在旁路支路开通前充电，以便在旁路支路开通时加快液桥电流的下降速度；并且当液桥电流到达稳态值后，给旁路支路的模块提供足够的电压，使模块工作在放大状态，以便能够控制旁路期间的液桥电流。
在上述方法中，并联在旁路支路模块2-1两端的过压吸收保护电路采用两套电容量和放电时间常数都相差悬殊的吸收电路来分别吸收正常熔滴过渡、旁路支路开关产生的过电压和焊接开始短路引弧、非正常短路产生的过电压；对于吸收正常熔滴过渡和旁路支路开关过程产生过电压的吸收电路，其电容量的选择方法是，当它吸收焊机直流电感L1在上述过程中释放的能量后，电容电压不超过模块2-1的安全工作电压；该吸收电路的放电时间常数为熔滴过渡或旁路支路开关的时间间隔的 以下；对于吸收焊接开始短路引弧或非正常短路过程产生过电压的吸收电路，其电容量的选择方法是，当它吸收焊机直流电感L1在上述过程中释放的能量后，电容电压不超过模块2-1的安全工作电压；该吸收电路的放电时间常数为熔滴过渡或旁路支路开关的时间间隔的3倍以上，而且是焊接短路引弧或非正常短路产生的时间间隔 以下。
本发明还提供了一种实现上述方法的系统，该系统由短路液桥状态检测和判断系统和短路液桥电流闭环旁路控制系统两部分组成。所述短路液桥收缩状态检测和判断系统由短路状态判断器、液桥电流传感器、电流微分器、电压加法器、除法器、微分器、短路液桥直径设定值、比较器、微分器、二次微分器、触发器和逻辑电路组成，短路液桥收缩状态检测和判断系统的输出通过电子开关来闭合或断开液桥电流闭环旁路控制系统；所述短路液桥电流旁路闭环控制系统由液桥电流设定值、液桥电流传感器、误差信号校正与放大器、电子开关、功率模块驱动器、旁路支路和短路液桥支路组成。
本发明在焊接过程中，能够通过检测焊接回路的电阻变化率或焊接回路阻抗变化率来判断短路液桥直径，当液桥收缩到直径较细时，通过旁路支路对液桥电流进行旁路分流控制，快速将液桥电流降低到一个较低的水平，使液桥在小电流下柔顺过渡，大幅减少焊接飞溅。
图1为系统控制框图。
图2为旁路支路的电路结构图。
图3为短路液桥电流闭环旁路控制系统图。
图4为短路液桥收缩状态的检测和判断系统图。
图5是焊接回路的等效电路图。
图6为焊接电源整流换相点附近的电流及电流的一次微分和二次微分波形图。
图7为旁路支路模块过电压吸收电路图。
图8为短路液桥收缩状态检测与判断系统电路图。
图9为短路液桥电流闭环旁路控制系统电路图。
具体实施例方式
本发明是通过如下详细技术方案实现的一种用于降低短路过渡气体保护焊飞溅的方法，该方法是在焊接过程中通过检测焊接回路的电阻变化率或者焊接回路的阻抗变化率来判断短路液桥直径，当焊接回路的电阻变化率或焊接回路阻抗变化率增长到某一数值时，表明液桥直径收缩到临界值，接入旁路支路，对短路液桥电流进行旁路分流控制，将液桥电流迅速地降下来，并维持到液桥的断开，使短路液桥在小电流的条件下柔顺过渡，降低焊接飞溅。
在上述方法中，旁路支路2的开通是根据焊接回路的电阻变化率。所述判断短路液桥收缩过程直径的焊接回路的电阻变化率是通过下列方法获得采用焊机输出电压减去一项与电缆电感压降相等的等效电压，将所得差值除以焊接回路电流，再对上述的商进行微分，所得结果为焊接回路的电阻变化率。
在上述方法中，旁路支路的开通是根据焊接回路的阻抗变化率。所述判断短路液桥收缩过程直径的焊接回路的阻抗变化率是通过下列方法获得采用焊机输出电压除以焊接回路电流，再对上述的商进行微分，所得结果为焊接回路的阻抗变化率。
在上述方法中，当本方法用于可控硅整流焊机时，为了防止焊接电源整流换相或可控硅管导通时对短路液桥状态和直径的检测和判断造成干扰和导致系统的误判断，所述短路液桥直径的检测和判断系统中，采用焊接回路电流的两次微分信号对焊接电源的整流换相和可控硅导通时产生的对液桥检测系统的干扰进行封锁，避免液桥检测系统的误判断。
在上述方法中，所述短路液桥电流旁路分流控制过程是采用液桥电流闭环反馈控制方法来降低和控制液桥后期电流和液桥断开后燃弧前期电流。
在上述方法中，在所述短路液桥电流闭环旁路控制系统的旁路支路2中串入电容器2-2。该电容在旁路支路开通前充电，以便在旁路支路开通时加快液桥电流的下降速度；并且当液桥电流到达稳态值后，给旁路支路的模块2-1提供足够的电压，使模块工作在放大状态，以便能够控制旁路期间的液桥电流。
在上述方法中，并联在旁路支路模块2-1两端的过压吸收保护电路采用两套电容量和放电时间常数都相差悬殊的吸收电路来分别吸收正常熔滴过渡、旁路支路开关产生的过电压和焊接开始短路引弧、非正常短路产生的过电压；对于吸收正常熔滴过渡和旁路支路开关过程产生过电压的吸收电路，其电容量的选择方法是，当它吸收焊机直流电感L1在上述过程中释放的能量后，电容电压不超过模块2-1的安全工作电压；该吸收电路的放电时间常数为熔滴过渡或旁路支路开关的时间间隔的 以下；对于吸收焊接开始短路引弧或非正常短路过程产生过电压的吸收电路，其电容量的选择方法是，当它吸收焊机直流电感L1在上述过程中释放的能量后，电容电压不超过模块2-1的安全工作电压；该吸收电路的放电时间常数为熔滴过渡或旁路支路开关的时间间隔的3倍以上，而且是焊接短路引弧或非正常短路产生的时间间隔 以下。
本发明还提供了一种实现上述方法的系统，该系统由短路液桥状态检测和判断系统和短路液桥电流闭环旁路控制系统两部分组成。所述短路液桥收缩状态检测和判断系统由短路状态判断器15、液桥电流传感器10、电流微分器13、电压加法器14、除法器8、微分器9、短路液桥直径设定值12比较器11、微分器16、微分器17、触发器18和逻辑电路19组成，短路液桥收缩状态检测和判断系统的输出通过电子开关6来闭合或断开液桥电流闭环旁路控制系统；所述短路液桥电流旁路闭环控制系统由液桥电流设定值4、液桥电流传感器10、误差信号校正与放大器5、电子开关6、功率模块驱动器7、旁路支路2和短路液桥支路组成。
本发明的方法由短路液桥收缩状态检测与判断系统和短路液桥电流闭环旁路控制系统两部分来实现，如图1所示。短路液桥电流闭环旁路控制系统的开通和关闭由短路液桥收缩状态检测与判断系统来决定，并通过电子开关6来实现。短路液桥收缩状态检测与判断系统通过对焊接回路的电阻变化率或者焊接回路的阻抗变化率的检测来判断短路液桥在收缩过程的状态和直径。
旁路支路2并联在焊接电源1的输出两端，当检测到短路液桥收缩到一定程度，即短路液桥直径收缩到一定直径，旁路支路2开通，对短路液桥电流进行并联旁路分流控制，使短路液桥在很低电流下柔顺断开，避免在大电流下爆断。由于焊机电源内部输出端串有铁心直流电感L1，限制了焊机输出电流的变化，而且旁路控制时间很短，在此时间内电源输出电流基本不变。因此，短路液桥电流闭环旁路控制系统的动态响应不受焊接电源内部特性的影响，能够快速将短路液桥电流降低下来。
旁路支路电路结构如图2所示。从电路原理可知，并联旁路分流的效果和动态响应都与旁路支路的阻抗和回路电压有关。由于短路液桥电阻很小，在短路液桥收缩到后阶段，其电阻一般在十几毫欧至几十毫欧，其压降在1-2伏之间。而大功率半导体控件的饱和导通电阻或饱和导通压降也在这个范围左右。由于一般的大功率半导体器件的饱和导通电阻或饱和导通压降相对于短路液桥电阻或短路液桥压降不够小，如果旁路支路仅由大功率半导体器件组成，并联旁路分流效果有限，不能把短路液桥电流降到一个较低的水平。另外，如果忽略焊接电缆电阻和焊丝干伸电阻的电压降，在旁路分流的过渡过程中，短路液桥电压与模块压降之间的电压差，决定了克服焊接电缆电感L2所产生的电流变化率 (负值)，电路关系可以用下列方程表示UT-Uy=L2didt,]]>UT----模块压降；Uy----短路液桥电压；由于上述电压差的绝对值很小，所以旁路过程短路液桥电流下降速度很慢。因为旁路控制时间很短，所以要求旁路过程有很快的动态响应才能将短路液桥电流在爆断前快速降下来。为了提高旁路分流过程的有效性和快速性，本发明的旁路支路采用如图2的电路结构。在旁路支路中，与大功率半导体器件2-1串接充电电容2-2，在旁路分流开始前，直流电源2-3将电容2-2充电，2-4为充电限流电阻。串接了充电电容2-2后，在旁路回路中增加了一项电容电压，电路满足下面关系UT-Uy-Uc=L2didt]]>Uc-电容2-2的电压由于电容电压Uc的介入，使电流变化率 (负值)的绝对值大大加大了，短路液桥电流的下降速度大大提高了，旁路控制系统的动态响应显著提高了，因此短路液桥电流能够在很短时间内下降到很低的期望值。
因此，由于电容2-2的串入，并且在旁路支路开通前充电，在旁路支路开通时大大加快了液桥电流的下降速度；并且当液桥电流下降到达稳态值后，给旁路支路的模块2-1提供足够的电压，使其工作在放大状态，以便能够控制旁路期间的液桥电流。
为了防止短路结束后重新引弧引起的电流对熔池的冲击，系统的短路液桥电流旁路控制时间要跨越液桥短路和燃弧两种状态，两种状态下焊接回路电阻相差甚远。而且即使同在短路状态下，由于短路液桥的收缩过程的直径的变化，短路液桥回路电阻变化幅度也非常大。为了使短路液桥电流旁路控制系统的电流控制能够适应短路液桥回路电阻的悬殊变化状态，获得准确、快速的电流控制，本发明采用短路液桥电流闭环反馈控制方式，使模块的等效电阻能够随着短路液桥回路的电阻变化而变化，而使短路液桥末期电流和引弧初期电流都能控制在一个的较低水平，既能在短路末期把短路液桥电流快速降下来并维持到液桥的断开，又不会造成重新引弧阶段的熄弧。旁路控制系统的闭合和关断由短路液桥状态检测和判断系统通过电子开关6来控制。当短路液桥收缩到某一状态(对应某一液桥直径)时，短路液桥电流闭环旁路控制系统闭合，直到短路液桥柔顺断开进入燃弧后才关断，避免液桥爆炸引起的飞溅，并减少短路液桥断开时重新引弧时的电流冲击。
短路液桥电流闭环旁路控制系统如图3所示。旁路分流过程采用了短路液桥电流的闭环反馈控制方式。原理如下短路液桥收缩后期，当短路液桥直径收缩到设定的临界状态时，液桥收缩状态检测和判断系统将电子开关6闭合，短路液桥电流闭环旁路控制系统处于闭环控制状态。实时的短路液桥电流由传感器10获取，与短路液桥电流设定值4比较，放大器5将短路液桥电流设定值与实际值的误差进行比较、放大和校正后，通过驱动电路7驱动半导体大功率器件2-1，旁路支路开通时对短路液桥电流进行分流，使短路液桥电流迅速下降，最后使短路液桥电流达到设定值，并且在短路液桥电阻变化悬殊的条件下，维持液桥电流不变，形成一个短路液桥电流的闭环反馈控制过程。短路液桥闭环旁路控制系统的电流设定值4应在50A左右。
短路液桥电流闭环旁路系统的闭合时刻由短路液桥收缩状态检测和判断系统来确定。旁路系统闭合的时刻十分重要，过早进行旁路分流，会使短路液桥得不到液桥电流电磁力的充分收缩，影响液桥的正常收缩和过渡，干扰了熔滴过渡和焊接的正常过程；闭环旁路控制系统过迟闭合，则会延误旁路控制的时机，短路液桥仍在大电流下爆断，使降低飞溅的控制无效。由于短路液桥收缩过程是加速的，旁路时刻的微小偏差会导致完全不同的效果。
研究表明，在短路液桥收缩过程中，随着液桥直径的不断变小，电磁收缩力和表面张力越来越大，液桥的收缩过程是一个不断加速的收缩过程。因此液桥收缩速度或液桥电阻变化率与液桥直径是相对应的，液桥直径可以用它收缩过程的电阻变化率来表征。另一方面，虽然短路液桥的电阻只占焊接回路电阻的很小一部分，但是，由于液桥后期收缩很快，收缩时间很短，焊接回路电阻变化率完全决定于液桥的电阻变化率，焊接回路的其它部分的电阻(如电缆电阻、焊丝干伸长电阻)都是基本不变或者变化率很小的。所以在液桥收缩后期，焊接回路的电阻变化率完全可以代表液桥电阻变化率和液桥直径。因此，本发明以焊接回路的电阻变化率来表征液桥收缩过程中的液桥直径。
短路液桥收缩状态的检测和判断系统如图4所示。它由短路状态判断器15、电流微分器13、电压加法器14、除法器8、微分器9、液桥收缩状态设定值12、比较器11、微分器16、微分器17、触发器18和逻辑电路19组成。
短路液桥电流从图1的液桥电流传感器10获得。焊接回路等效电阻电压UR是通过等效运算得到的。从图4中可以看出，等效电阻电压UR是采用焊机输出电压Uh与电流微分项的差值。从短路液桥收缩状态或液桥直径检测系统的原理可以看出，要求得到焊接回路的等效电阻，除法器需要输入电流和焊接回路的等效电阻电压。在本发明中，将上述电压检测线接到焊机内部输出两端，而焊接回路的电阻电压信号是通过将焊机输出电压减去一项与焊接电缆电压等效的电压信号而获得的。焊接回路的等效电路如图5所示。图中1为焊机，包括一个直流电源和一个铁心电感，2为本方法的旁路支路。焊接回路包括焊接电缆电感L2，焊接电缆电阻RL，焊丝干伸(从导电咀出口到与液桥连接的焊丝端部)电阻RS和液桥电阻RY。焊接回路电阻为上述三部分电阻之和Rh＝RL+RS+RY。
焊机输出电压与焊接回路的等效电阻电压之间的差别在于焊接电缆的电感电压，焊接电缆电感电压为 与电流变化率 成正比。焊机输出电压Uh由下列几部分组成Uh=L2didt+iRL+iRS+iRY]]>其中，焊接回路的等效电压为UR＝iRL+iRS+iRYRL-电缆电阻RS-焊丝干伸电阻RY-液桥电阻所以，Uh=UR+L2didt]]>即UR=Uh-L2didt]]>
如果在焊机输出电压Uh中减去与 大小相同的一项 所得结果就等效为焊接回路电阻电压UR了。
如果R1C1didt=L2didt,]]>就有UR=Uh-R1C1didt]]>即，虽然电压检测点接在焊机输出端，经过等效运算后就可以获得焊接回路等效电阻电压。在图4中，电流经过微分器13获得与电流微分成正比项 焊机输出电压Uh经过加法器14减去该项后，就获得等效的焊接回路电阻电压UR。
获得焊接回路等效电阻电压后，将液桥电流和焊接回路等效电阻电压信号输入到除法器8，实现Rh＝UR/I的运算，除法器8的输出为焊接回路的等效电阻信号R，再经过微分器9，获得焊接回路电阻变化率信号 比较器11将电阻变化率信号与设定值12进行比较，当焊接回路电阻变化率信号达到设定值时，表明液桥收缩状态已进入后期，液桥直径已经达到某一足够细的直径，系统对液桥旁路分流时机已到。比较器11输出一个触发脉冲，通过逻辑电路19和电子开关6将短路液桥旁路闭环控制系统闭合。液桥电流闭环旁路系统在液桥发生爆断前的很短时间内，通过闭环反馈的控制方式将液桥电流快速降到一个很低的电流设定值，直至液桥的柔顺断开，避免了液桥在大电流下的爆断和飞溅。
焊接回路的电阻变化率的检测可以采用不同的软件或硬件来实现。图8是实现短路液桥收缩过程状态或焊接回路的电阻变化率检测的电路应用示例。液桥电流经过微分器A5B微分后，在放大器A4B上实现UR=Uh-R1C1didt]]>的运算，其中R1＝R131，C＝C101，求得焊接回路等效电阻压降UR.后，焊接回路的电流I和焊接回路等效电阻电压UR输入到除法器U2，实现焊接回路等效电阻UR/I＝R的除法运算。所得的等效电阻再经微分器A7B，获得焊接回路电阻变化率 该电阻变化率的大小表明了液桥收缩状态或者液桥直径。比较器A9B将焊接回路电阻变化率与设定值进行比较，当它到达设定值时，触发单稳态U3A，通过逻辑电路U4A开通短路液桥电流闭环旁路控制系统，将液桥电流降低到设定的较低电流值，并维持到液桥的断开。
在上述液桥检测方法中，采用了补偿方法获得焊接回路的等效电阻和电阻变化率。但是实验研究和定量计算结果表明，如果短路液桥电流为指数增长，即i=ΔI(1-e-tτ),]]>那么补偿项 除以电流i再经第二次微分后， 是一个很小的常数，可以忽略。所以，短路液桥在收缩过程中的直径完全可以用焊接回路的阻抗(包括电阻和感抗)的变化率 来表征和确定。焊接回路的阻抗变化率 越大，液桥直径越细。
在焊接回路的等效电路中，如图5所示。
Uh=L2didt+iRL+iRS+iRY]]>焊接回路等效阻抗为Zh=Uhi=L2ididt+RL+RS+RY]]>焊接回路的阻抗变化率为dZhdt=ddt(L2ididt)+dRLdt+dRSdt+dRYdt]]>如果用焊接回路的参数代入， 值大10倍左右。所以 可以忽略。所有采用焊接回路的阻抗变化率 来判断短路液桥直径和状态是一种准确、有效和实用的方法。
如果采用焊接回路的阻抗变化率 来判断短路液桥直径，则只要取消掉短路液桥状态检测和判断系统中的微分器13就可以实现了。将焊接回路的电流和焊接回路电压信号直接输入到除法器8，获得焊接回路阻抗后再经微分器9微分，得到焊接回路的阻抗变化率，与设定值12比较，当焊接回路的阻抗变化率超过设定值12时，比较器11输出一个高电平脉冲，经过逻辑电路19将短路液桥旁路闭环控制系统中的电子开关6开通，液桥电流闭环控制系统开始工作，将液桥电流快速降到很低的水平，直至液桥断开时，短路状态判断器15获得燃弧信号通过逻辑电路19将电子开关6关断。
液桥状态设定值12，即短路液桥电流闭环旁路控制系统开通时的焊接回路电阻变化率或者焊接回路的阻抗变化率，与短路液桥电流闭环旁路控制系统开通时的液桥直径相对应，在实施例中，该设定值为 左右。该设定值的大小会影响旁路分流的时间宽度，当旁路时间宽度为0.4-0.8ms时，该设定值比较恰当。
短路液桥电流闭环旁路控制系统的开通只有在短路期间才会发生，为了防止旁路系统在燃弧阶段的误开通，在液桥收缩状态检测和判断系统中设置了短路状态判断器15。当液桥完成过渡断开进入燃弧状态时，短路状态判断器15的输出为零，通过逻辑电路19关闭电子开关6，自动关断短路液桥电流闭环旁路控制系统。所以当液桥在较小电流下柔顺过渡，进入电弧状态后，旁路系统就会自动关闭，等待下一次旁路开通指令。因此，一旦液桥断开进入电弧状态，短路状态判断器15就通过逻辑电路19和电子开关6将旁路支路关断。
当本发明用于可控硅整流焊机时，焊接电源整流换相或可控硅管导通时会引起焊接电流、电压的突变，对短路液桥状态和直径的检测和判断造成干扰，导致系统的误判断。尤其是在电源整流换相时，在换相点的附近，由于电流的变化率 很大， 和 都很大，对焊接回路的电阻变化率 或焊接回路的阻抗变化率 造成很大的干扰，无论采用什么补偿办法都无法消除，只好采取封锁的方法来消除上述干扰。以免系统产生误判断。在液桥收缩状态检测和判断系统中，本发明通过微分器16和微分器17对液桥电流进行二次微分，再经过触发器18获得0.25ms的封锁时间，通过逻辑电路19对这时刻的干扰信号进行封锁，避免液桥收缩状态检测和判断系统在整流换相时刻造成的误判断。在电源整流换相点附近的电流波形、电流的一次微分、二次微分波形见图6。上述抗干扰的封锁措施对于可控硅导通时刻引起的干扰，同样有效。
由于焊机内部的铁心直流电感L1的存在，焊机输出回路的任何电流变化都会导致过电压。在电流的过渡过程中，电感L1释放出来的能量为 电容吸收的能量为 吸收电路的电容C吸收了电感L1释放出来的能量后电容电压上升值ΔUc由方程式12(Δi)2L=12C(ΔUc)2]]>决定。因为要求电容吸收电感释放出来的能量后的电容电压不得超过模块2-1的安全工作电压，所以要求电容量C要足够大才能保护模块2-1。同时，要求吸收电路的放电时间常数不能太大，当下一次过电压来到之前电容的电量必须放掉，以便下次过电压来到之前重新充电吸收电感释放出来的能量。由于旁路支路与液桥回路并联而且旁路支路导通的时间很短，L1较大，所以在旁路支路导通时只是改变旁路支路与液桥回路之间的电流分配比例。焊机输出电流变化不大，电感L1释放出来的能量和过电压也不大。同样，当正常的熔滴过渡时，电流峰值、 和过电压都不大，需要很小容量的电容就能吸收。但是当焊接开始短路引弧或者当焊接过程中发生非正常短路时，由于短路时间长，短路电流增长到很大值后突然爆断，导致很大的 和很高的过电压。这时需要很大电容量来吸收铁心直流电感L1释放出来的能量，才能限制上述过电压。为了适应上述两种情况的需要，本方法中采用两套电容量、放电时间常数都相差悬殊的吸收电路，来分别吸收正常熔滴过渡、旁路支路开关产生的过电压和短路引弧、非正常短路产生的过电压，如图7所示。第一套吸收电路R3-D3-C3中，电容C3容量较小，放电时间常数R3C3比熔滴过渡或旁路支路开关的时间间隔小得多，一般为熔滴过渡或旁路支路开关的时间间隔的 以下；所以每次熔滴过渡或旁路支路开关后电容C3都能将电容电压放掉，下次重新吸收新来的过电压。但是，由于电容C3较小，不足以吸收焊接开始短路引弧或非正常短路产生的过电压。第二套吸收电路R4-D4-C4中，C4容量较大，足以吸收焊接开始短路引弧或非正常短路产生的过电压。放电时间常数R4C4较大，比熔滴过渡或旁路支路开关的时间间隔大得多，一般为熔滴过渡或旁路支路开关的时间间隔的3至5倍。在上述正常情况下，电容C4的电量在熔滴过渡或旁路支路开关的时间间隔内基本没有放掉，电容C4的电压基本等于第一套吸收电路吸收后的电压峰值。电容C4不吸收熔滴过渡或旁路支路开关产生的过电压。但是当发生焊接开始短路引弧或非正常短路产生时，因为这时过电压很高，吸收电容C4将充电，将铁心直流电感释放的能量吸收，限制它产生的过电压。由于发生焊接短路引弧或非正常短路的频率很低，时间间隔很长。时间常数R4C4虽然比时间常数R3C3大得多，但是比发生焊接短路引弧或非正常短路的时间间隔小得多，一般为焊接短路引弧或非正常短路产生的时间间隔的 至 所以上述每次焊接短路引弧或非正常短路的过电压它都能吸收。另外这套吸收电路的工作频率非常低，所以，电容C4可以采用电解电容。
为了适应上述两种情况的特殊需要，并联在旁路支路模块2-1两端的过压吸收保护电路采用两套电容量和放电时间常数都相差悬殊的吸收电路来分别吸收正常熔滴过渡、旁路支路开关产生的过电压和焊接开始短路引弧、非正常短路产生的过电压；对于吸收正常熔滴过渡和旁路支路开关过程产生过电压的吸收电路，其电容量的选择方法是，当它吸收焊机直流电感L1在上述过程中释放的能量后，电容电压不超过模块2-1的安全工作电压；该吸收电路的放电时间常数为熔滴过渡或旁路支路开关的时间间隔的 以下；对于吸收焊接开始短路引弧或非正常短路过程产生过电压的吸收电路，其电容量的选择方法是，当它吸收焊机直流电感L1在上述过程中释放的能量后，电容电压不超过模块2-1的安全工作电压；该吸收电路的放电时间常数为熔滴过渡或旁路支路开关的时间间隔的3倍以上，而且是焊接短路引弧或非正常短路产生的时间间隔 以下。
实施例中，吸收正常熔滴过渡、旁路支路开关产生过电压的吸收电路参数为R3＝8欧姆，C3＝25微法，放电时间常数为200微秒；吸收焊接开始短路引弧或非正常短路产生过电压的吸收电路参数为R4＝100欧姆，C4＝330微法，放电时间常数为33毫秒。两套吸收电路的电容量和时间常数都有很大的差别。
本发明在焊接过程中，通过检测焊接回路的电阻变化率 或者焊接回路的阻抗变化率 来判断短路液桥直径，当液桥直径收缩到某一临界值，通过旁路支路对液桥电流进行旁路分流控制，快速将液桥电流降低到一个较低的水平，并维持到液桥的断开，使液桥在小电流下柔顺过渡，能够大幅减少焊接飞溅。
实施例图8为短路液桥收缩状态检测和判断系统的基本电路图，其功能是检测焊接短路液桥收缩过程的状态，用焊接回路的电阻变化率或焊接回路的阻抗变化率来表征短路液桥收缩程度或液桥直径。并通过与设定值进行比较，当其达到设定值时，产生触发脉冲，开通短路液桥电流闭环旁路控制系统。
电路工作原理如下
电压u取自图9中的焊机电源输出电压，液桥电流i取自焊接回路的电流互感器。因为焊机电源输出电压u与控制电路不共地，需要隔离。电压经过放大器A1B放大后，经过由放大器A2B、光耦隔离器U1A和U1B组成的线性隔离器。输入到放大器A4B进行运算。电流i经过微分器A5B微分并反相后，在放大器A4B中实现UR=Uh-RCdidt]]>的运算。其中，Uh——为焊机输出电压； 为放大器A5B的输出电压，与电缆电感电压等效；R为R131，C为C101。
UR——A4B输出电压，即为焊接回路等效的电阻电压；U2是实现焊接回路电阻运算R＝UR/i的除法器。等效的焊接回路电阻电压UR输入到除法器U2的Z1端。液桥电流i经过放大器A6B后，输入到除法器的X1端，与UR相除。从除法器输出端W就可以获得焊接回路的等效电阻值。焊接回路电阻值再经过微分器A7B，获得电阻的微分信号。这里的焊接回路电阻的微分值代表了这一时刻的液桥直径。由于信号很微弱，经放大器A8B放大后，在比较器A9B中与液桥状态或液桥直径的预设值(由电位器R150提供)进行比较。在液桥收缩到后期，当液桥已经收缩到足够细时，焊接回路电阻微分值就会达到和超过设定值。这时比较器A9B马上就会发出一个脉冲触发单稳态U3A，单稳态产生一个方波。这个方波宽度为旁路脉冲的最大可能宽度，设定为1.5ms。但是实际旁路导通的时间由液桥收缩过程决定，当液桥断开时，旁路系统能够自动关断。这个功能由比较器A3B和与门U4A来实现。A3B为短路状态判断器，当电压低于设定值(由R119和R104分压确定)时，说明焊接回路处于液桥短路状态，比较器A3B输出为高电平，旁路触发脉冲可以通过与门U4A，去开通图9中的电子开关U5A，使旁路控制系统处于闭环导通状态，以便在液桥断开之前降低和控制短路液桥电流。一旦当液桥断开要进入燃弧状态时，电弧两端电压升高，高于短路电压设定值时，比较器A3B输出变为低电平。这时不管单稳态U3A的输出是什么电平状态，A3B输出的低电平将触发脉冲封锁关断。所以，一旦液桥断开进入燃弧状态，旁路脉冲将马上关断。短路状态判断器还可以在燃弧期间实现对误触发脉冲的封锁，从逻辑上防止燃弧期间可能出现的旁路误开通。
当采用焊接回路阻抗变化率作为判断液桥直径和开通液桥电流旁路控制系统的依据时，只要取消液桥电流微分器A5B即可。这样，焊接回路电流和电压信号就直接进入除法器U2。得到焊接回路阻抗后，再经过微分器A7B，获得焊接回路阻抗变化率。再经放大器A8B、比较器A9B和触发器U3A后，获得开通旁路系统的触发脉冲。
当本方法用于可控硅整流焊机时，为了防止焊接电源整流换相或可控硅管导通时对短路液桥状态和直径的检测和判断造成干扰和导致系统的误判断，采用焊接回路电流的两次微分信号对焊接电源的整流换相和可控硅导通时产生的对液桥检测系统的干扰进行封锁，避免了液桥检测系统的误判断。电路中通过两级微分器对液桥电流进行两次微分后，触发一个0.25ms的单稳态触发器，取其反相输出加到逻辑电路U4A的输入端，对焊接电源整流换相或可控硅管导通时产生的干扰进行封锁，防止检测系统的误判断。
图9为短路液桥电流闭环旁路控制系统的电路图，用于在液桥短路后期快速降低和控制液桥电流，使液桥在很小的电流下柔顺过渡。PS为焊接电源，M为送丝电机，旁路支路由大功率管T5和充电电容C107组成，并联在焊机电源输出两端。液桥电流旁路控制系统是一个液桥电流闭环反馈控制系统，该系统的开通和关闭决定于图8的液桥状态检测和判断系统输出端T的状态，通过电子开关U5A来开通或关断液桥闭环旁路控制系统。液桥电流控制的设定值由R114和R139分压决定，液桥电流信号取自焊接回路的电流互感器，并作为系统的反馈量输入到放大器A10A，A10A将反馈值和设定值进行比较、放大。A11B为反馈控制系统的校正环节，对系统的过渡过程进行校正。由放大器A12B和晶体管T1、T2、T3、T4等组成了主功率管T5的驱动电路。主功率管为大功率的IGBT或场效应管，由它对短路液桥电流进行并联旁路分流控制，将短路液桥电流峰值在很短的瞬间内降低到很小的设定水平，以便降低焊接飞溅。在旁路支路中串入电容C107是为了加快液桥电流下降速度，并且当液桥电流进入稳态后，给模块T5提供足够的压降使其工作在放大状态，以便实现对液桥电流的控制。原理详见图2及前面相关说明。
权利要求
1.一种用于降低短路过渡气体保护焊飞溅的方法，所述方法在焊接过程中通过检测焊接回路的电阻变化率或者焊接回路的阻抗变化率来判断短路液桥直径，当焊接回路的电阻变化率或焊接回路阻抗变化率增长到代表液桥直径收缩到临界值的某一数值时，接入旁路支路(2)，对短路液桥电流进行旁路分流控制；将液桥电流迅速地降下来并维持到液桥的断开，使短路液桥在小电流的条件下柔顺过渡。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于旁路支路(2)的开通是根据焊接回路的电阻变化率；所述焊接回路的电阻变化率是通过下列方法获得采用焊机输出电压减去一项与电缆电感压降相等的等效电压，将所得差值除以焊接回路电流，再对上述的商进行微分，所得结果为焊接回路的电阻变化率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于旁路支路(2)的开通是根据焊接回路的阻抗变化率；所述焊接回路的阻抗变化率是通过下列方法获得采用焊机输出电压除以焊接回路电流，再对上述的商进行微分，所得结果为焊接回路的阻抗变化率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法被用于可控硅整流焊机时，所述短路液桥状态检测和判断系统采用焊接回路电流的两次微分信号对焊接电源的整流换相和可控硅导通时产生的对短路液桥状态检测和判断系统的干扰进行封锁。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述短路液桥电流旁路分流控制过程是采用液桥电流闭环反馈控制方法来降低和控制液桥后期电流和液桥断开后燃弧前期电流。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述短路液桥的电流闭环旁路控制系统的旁路支路(2)中串入电容器(2-2)；该电容在旁路支路开通前充电，以便在旁路支路开通时加快液桥电流的下降速度；并且当液桥电流到达稳态值后，给旁路支路的模块(2-1)提供足够的电压，使模块工作在放大状态，以控制旁路期间的液桥电流。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于并联在旁路支路模块(2-1)两端的过压吸收保护电路采用两套电容量和放电时间常数都相差悬殊的吸收电路来分别吸收正常熔滴过渡、旁路支路开关产生的过电压和焊接开始短路引弧、非正常短路产生的过电压；对于吸收正常熔滴过渡和旁路支路开关过程产生过电压的吸收电路，其电容量的选择方法是，当它吸收焊机直流电感(L1)在上述过程中释放的能量后，电容电压不超过模块(2-1)的安全工作电压；该吸收电路的放电时间常数为熔滴过渡或旁路支路开关的时间间隔的 以下；对于吸收焊接开始短路引弧或非正常短路过程产生过电压的吸收电路，其电容量的选择方法是，当它吸收焊机直流电感(L1)在上述过程中释放的能量后，电容电压不超过模块(2-1)的安全工作电压；该吸收电路的放电时间常数为熔滴过渡或旁路支路开关的时间间隔的3倍以上，而且是焊接短路引弧或非正常短路产生的时间间隔 以下。
8.一种用于实现如权利要求1所述方法的系统，该系统由短路液桥状态检测和判断系统和短路液桥电流闭环旁路控制系统两部分组成，所述短路液桥收缩状态检测和判断系统由短路状态判断器(15)、液桥电流传感器(10)、电流微分器(13)、电压加法器(14)、除法器(8)、微分器(9)、短路液桥直径设定值(12)、比较器(11)微分器(16)、微分器(17)、触发器(18)和逻辑电路(19)组成，短路液桥收缩状态检测和判断系统的输出通过电子开关(6)来闭合或断开液桥电流闭环旁路控制系统；所述短路液桥电流旁路闭环控制系统由液桥电流设定值(4)、液桥电流传感器(10)、误差信号校正与放大器(5)、电子开关(6)、功率模块驱动器(7)、旁路支路(2)和短路液桥支路组成。
全文摘要
公开了一种用于降低短路过渡气体保护焊飞溅的方法。本方法是在焊接过程中通过检测焊接回路的电阻变化率或者焊接回路的阻抗变化率来判断短路液桥直径，当短路液桥直径收缩到设定值时，通过对短路液桥电流进行闭环旁路分流控制，将液桥电流迅速地降下来，并维持到液桥的断开，使短路液桥在小电流的条件下柔顺过渡，降低焊接飞溅。此外，还公开了一种用于实现该方法的系统。
文档编号B23K9/073GK1600486SQ200410034849
公开日2005年3月30日 申请日期2004年4月16日 优先权日2003年9月26日
发明者区智明 申请人:清华大学