专利名称：脉冲电弧焊接的电弧长度控制方法
技术领域：
本发明涉及通过限制短路期间中的短路电压值，提高电弧长度控制性的脉冲电弧焊接的电弧长度控制方法。
背景技术：
在熔化电极式电弧焊接中，为了取得良好的焊接质量，有必要把焊接中的电弧长度维持在适当值。在把峰值期间中的峰值电流的通电和基础期间中的基础电流的通电作为1脉冲周期进行反复通电的熔化电极式脉冲电弧焊接中，至今有一种电弧长度控制方法，其通过控制脉冲周期，使焊接电压平均值与预先设定的电压设定值大致相等，从而使电弧长度维持在适当值。下面说明以往技术的脉冲电弧焊接的电弧长度控制方法。
图4是脉冲电弧焊接的电流和电压波形图。图4(A)表示对作为熔化电极的焊条进行通电的焊接电流Iw随时间的变化，图4(B)表示在供电片和母材之间外加的焊接电压Vw随时间的变化。下面参照图4进行说明。
如图4(A)所示，在时刻t1～t2的峰值期间Tp中，用于使熔滴转变的大电流值的峰值电流Ip通电，如图4(B)所示，与电弧长度大致成比例的峰值电压Vp外加在供电片与母材之间。接着，如图4(A)所示，在时刻t2～t3的基础期间Tb中，一边维持电弧，一边用于使熔滴不成长的小电流的基础电流Ib通电，如图4(B)所示，外加与电弧长度大致成比例的基础电压Vb。在以下的说明中，峰值电压Vp和基础电压Vb表示电弧发生中的电压值，短路期间中，称为短路电压以示区别。
焊接质量大幅度受到由峰值期间Tp和基础期间Tb构成的脉冲周期Tf中的平均电弧长度的很大影响。因此，为了取得良好的焊接质量，有必要把平均电弧长度控制在适当值。一般，瞬间的电弧长度，与由峰值电压Vp及基础电压Vb构成的焊接电压Vw近似正比。因此，平均电弧长度，就与焊接电压平均值Va大致成比例。利用该关系，检测焊接电压平均值Va，并通过控制焊接电压Vw，从而使该检测值大致等于预先决定的电压设定值Vr。作为焊接电压Vw的控制方法，如图4所示，从以往就惯用通过反馈控制使脉冲周期Tf、峰值期间Tp、峰值电流Ip或基础电流Ib中的至少一个以上的值变化的方法。
如上所述，在以往技术中，检测焊接电压Vw，从该焊接电压检测值计算焊接电压平均值Va，控制电弧长度。可是，如5所述，在脉冲电弧焊接中，伴随着熔滴转变，常常发生短时间的短路。通常，熔滴转变常常在峰值期间Tp结束后的基础期间Tb中进行，所以短路几乎发生在基础期间Tb中。因为包含短路期间Ts中的短路电压Vs，计算焊接电压平均值Va，所以在焊接电压平均值Va和平均电弧长度之间产生误差。因此，存在电弧长度控制性变差的问题。为了解决该问题，提出以下说明的以往技术。
图5是表示短路发生时的以往技术的电弧长度控制方法的波形图。图5(A)表示焊接电压Vw的时间变化，图5(B)表示焊接电压限制值Vf的时间变化，图5(C)表示电弧长度La的时间变化，图5(D)～(F)表示各时刻的电弧发生部的样子。下面参照图5进行说明。
如图5(A)所示，当在基础期间中的时刻t4处熔滴转变时，时刻t4～t5的期间(短路期间Ts)中，发生短时间的短路。短路期间Ts中的焊接电压Vw从基础电压Vb变化为短路电压Vs。基础电压Vb是15～25V左右，短路电压Vs为数V左右。
如图5(C)所示，电弧长度La在时刻t1～t2的峰值期间中渐渐变长。这是因为如图5(D)所示，由于峰值电压的通电，焊条1顶端熔化，形成熔滴1a。从接着的时刻t2～t3的峰值下降期间到基础期间的期间中的电弧长度La渐渐变短。这是因为在熔滴1a的上部发生缩颈1b，熔滴1a向下方移动，所以电弧长度La变短。接着的时刻t3～t4的期间中，熔滴1a由于重力急速落下，缩颈部1b细长地延伸，电弧长度La急速缩短。然后，在时刻t4，如图5(E)所示，在缩颈部1b细长地延伸的状态下，熔滴1a与母材2接触，成为短路状态。在时刻t5，当熔滴1a由于熔化池的表面张力而转变，则如图5(F)所示，电弧3再发生，如图5(C)所示，电弧长度La变长。接着的时刻t5～t6的期间中，基础电流是不熔化焊条1的低值，所以在焊条顶端不形成熔滴1a，以给定速度进给，所以如图5(C)所示，电弧长度La逐渐变短。通过上述的动作，时刻t1～t6的脉冲周期中的平均电弧长度控制为适当值。
如图5(E)所示，在时刻t4发生短路时，缩颈部1b处于细长延伸的状态。如果把焊条顶端的熔化部与母材之间的距离定义为实质的电弧长度Lb，则如图5(D)～(F)所示，平缓地变短。实质的电弧长度Lb如图5(C)所示，在时刻t2～t5，平缓地下降。特别是缩颈部1b延伸、短路而引起时刻t3～t4的电弧长度La的急剧变化，所以最好对决定焊接质量的平均电弧长度使用实质的电弧长度Lb。因此，在以往技术中，为了检测时刻t4～t5的短路期间Ts中的实质的电弧长度Lb，如图5(B)所示，把短路电压Vs限制在基础电压下限值Vbt，计算焊接电压限制值Vf。即，焊接电压限制值Vf，对于图5(A)所示的焊接电压Vw，把短路期间Ts的短路电压Vs限制在基础电压下限值Vbt，此外的期间的电压原封不动。使用焊接电压限制值Vf，计算焊接电压平均值Va，控制电弧长度，从而能把图5(C)所示的实质的电弧长度Lb维持在适当值。
所述基础电压下限值Vbt，把基础电压基准值Vbc和预先决定的修正值ΔV作为输入，由Vbt＝Vbc-ΔV设定。修正值ΔV是1～3V左右，按照焊条的材料、焊条进给速度等焊接条件，设定为适当值。所述基础电压基准值Vbc可以是按照焊接条件预先设定的值，也可以是即将发生短路前的基础电压值。另外，基础电压基准值Vbc可以是给定期间的基础电压的移动平均值(关于上述的以往技术，参照专利文献1、2)。
特开2003-311409号公报[专利文献2]特开2005-34853号公报图6是高速焊接中，把平均电弧长度设定得短时的与图5对应的波形图。图6(A)～(F)所示的各信号与图5相同。因平均电弧长度比图5短，所以图6(A)所示的焊接电压Vw和图6(B)的焊接电压限制值Vf的瞬间值变低。此外，图6(C)所示的电弧长度La的瞬间值也变短。
如果平均电弧长度变短，则如图6(A)所示，存在短路期间Ts变长的倾向。短路期间Ts中，如图6(B)所示，短路电压Vs限制在基础电压下限值Vbt。这是因为如图6(C)所示，检测实质的电弧长度Lb，提高电弧长度控制性。
如果平均电弧长度的设定缩短，则瞬间的电弧长度变短，发生与熔滴转变无关的短路，常常发生溅射，或焊接状态容易变得不稳定。因此，有必要以高更精度控制电弧长度。作为一个方法，有提高反馈控制系统的放大率的方法。可是，在该方法中，反馈控制系统容易变得不稳定，存在界限。
发明内容
因此，在本发明中，提供在把平均电弧长度设定得短时能提高电弧长度控制性的脉冲电弧焊接的电弧长度控制方法。
为了解决上述的课题，发明1是一种脉冲电弧焊接的电弧长度控制方法，在把峰值期间中的峰值电流的通电和基础期间中的基础电流的通电作为1脉冲周期重复进行通电，并且计算由所述峰值期间中的峰值电压和所述基础期间中的基础电压构成的焊接电压的平均值，通过控制所述脉冲周期、所述峰值期间、所述峰值电流或所述基础电流的至少一个以上，使该焊接电压平均值等于预先决定的电压设定值，从而把电弧长度维持在适当值，其特征在于当在所述基础期间中焊条与母材成为短路状态，从所述基础电压变为短路电压时，把该短路电压限制为比所述基础电压值低给定值的值——基础电压下限值，计算所述焊接电压平均值；伴随着所述短路期间的时间经过，使所述基础电压下限值变为更低的值。
此外，发明2是根据发明1所述的脉冲电弧焊接的电弧长度控制方法，其特征在于所述基础电压下限值的变化是台阶状。
此外，发明3是根据发明1所述的脉冲电弧焊接的电弧长度控制方法，其特征在于所述基础电压下限值的变化是斜坡状。
此外，发明4是根据发明1～3中的任意一项所述的脉冲电弧焊接的电弧长度控制方法，其特征在于对所述基础电压下限值的变化设置最大下限值的限制。
根据本发明，伴随着短路期间Ts的时间经过，使基础电压下限值Vbt以台阶状或斜坡状变为更低的值，从而能在基于焊接电压Vw的电弧长度的检测中加进基于短路期间长度的电弧长度的检测。因此，在把平均电弧长度设定得短，产生比较长的短路的高速焊接中，能以高精度检测电弧长度，提高电弧长度控制性。
下面简要说明附图。
图1是表示本发明实施例1的脉冲电弧焊接的电弧长度控制方法的波形图。
图2是本发明实施例1的焊接电源的框图。
图3是表示本发明实施例2的基础电压下限值Vbt对于短路期间Ts的时间经过的变化模式的图。
图4是以往技术的熔化电极式电弧焊接的电流和电压波形图。
图5是表示脉冲电弧焊接的电弧长度控制方法的波形图。
图6是在用于说明以往技术的课题的图5中，把平均电弧长度设定得短时的波形图。
图中1-焊条；1a-熔滴；2-母材；3-电弧；4-焊炬；5-进给辊；EI-电流误差放大电路；Ei-电流误差放大信号；EV-电压误差放大电路；Ev-电压误差放大信号；Ib-基础电流；IBR-基础电流设定电路；Ibr-基础电流设定信号；ICR-电流控制设定电路；Icr-电流控制设定信号；ID-电流检测电路；Id-电流检测信号；Ip-峰值电流；IPR-峰值电流设定电路；Ipr-峰值电流设定信号；Iw-焊接电流；L1-特性；L2-特性；La-电弧长度；Lb-实质的电弧长度；PM-电源主电路；S-倾斜；Tb-基础期间；Tf-脉冲周期(信号)；TP-峰值期间定时器电路；Tp-峰值期间(信号)；TS-短路期间检测电路；Ts-短路期间；V/F-电压和频率变换电路；VA-电压平均计算电路；Va-焊接电压平均值/电压平均值信号；Vb-基础电压；VBC-基础电压基准值计算电路；Vbc-基础电压基准值；Vbm-最大下限值；VBT-基础电压下限值计算电路；Vbt-基础电压下限值(信号)；VD-电压检测电路；Vd-电压检测信号；VF-电压限制值计算电路；Vf-焊接电压限制值/电压限制值信号；Vp-峰值电压；VR-电压设定电路；Vr-电压设定信号；Vs-短路电压；Vw-焊接电压；ΔV-修正值。
具体实施例方式
下面参照
本发明实施例。
图1是表示本发明实施例1的脉冲电弧焊接的电弧长度控制方法的波形图。图1(A)表示焊接电压Vw的时间变化，图1(B)表示焊接电压限制值Vf的时间变化，图1(C)表示电弧长度La的时间变化，图1(D)～(F)表示各时刻的电弧发生部的样子。图1与上述的图6对应，是把平均电弧长度设定得短时。在图1中，时刻t4～t5的短路期间Ts以外的期间的动作与上述图5和图6相同，所以省略说明。下面说明短路期间Ts的动作。
在实施例1中，如图1(B)所示，伴随着短路期间Ts中的时间经过，基础电压下限值Vbt逐渐下降。下降的坡度S[V/ms]是0.3～3左右的范围，按照焊条的材料、焊条进给速度等焊接条件，设定为适当值。使基础电压下限值Vbt下降的理由如下所述。如果平均电弧长度降低，则伴随着熔滴转变的短路期间Ts的时间长度存在按比例变长的倾向。因此，在根据焊接电压平均值检测平均电弧长度时，如果按照短路期间Ts的长度使基础电压下限值Vbt下降，就能包含短路期间长度与平均电弧长度的比例关系的信息。据此，能以高精度，根据峰值电压、基础电压和短路期间长度，检测平均电弧长度。其结果，即使把平均电弧长度设定得短时，也能提高电弧长度控制性。
图2是用于实施实施例1的脉冲电弧焊接的电弧长度控制方法的焊接电源的框图。电源主电路PM把3相200V等商用电源作为输入，按照后面描述的电流误差放大信号Ei，进行倒相器控制、限幅器控制等的输出控制，输出焊接电流Iw和焊接电压Vw。焊条1通过焊条进给装置的进给辊5的旋转，通过焊炬4内，与母材2之间产生电弧3。
电压检测电路VD检测焊接电压Vw，输出电压检测信号Vd。基础电压基准值计算电路VBC把该电压检测信号Vd作为输入，计算经过给定期间的基础电压的移动平均值，并作为基础电压基准值Vbc输出。基础电压基准值Vbc，如上所述，既可以是预先设定的值，也可以是即将发生短路前的基础电压值。短路期间检测电路TS，根据所述电压检测信号Vd的值检测短路的发生，输出在短路期间中为高电平的短路期间信号Ts。基础电压下限值计算电路VBT，把所述基础电压基准值Vbc和短路期间信号Ts作为输入，输出伴随着短路期间的时间经过而从基础电压基准值Vbc的值变为更低的值的基础电压下限值信号Vbt。电压限制值计算电路VF，把所述电压检测信号Vd和所述基础电压下限值信号Vbt作为输入，把短路期间的电压限制在基础电压下限值，输出电压限制值信号Vf。电压平均计算电路VA，计算电压限制值信号Vf的平均值，输出电压平均值信号Va。
电压设定电路VR，输出预先设定的电压设定信号Vr。电压误差放大电路EV，把电压设定信号Vr和所述电压平均值信号Va的误差放大，输出电压误差放大信号Ev。电压和频率变换电路V/F，输出与电压误差放大信号Ev成比例的频率的脉冲周期信号Tf。即，图4所述的脉冲周期信号Tf变化，从而电压设定信号Vr与电压平均值信号Va变为大致相等。峰值期间定时器电路TP，输出从所述脉冲周期信号Tf的每周期的开始时刻起，在预先设定的峰值期间为高电平的峰值期间信号Tp。即，在峰值期间信号Tp为高电平时，就是峰值期间，为低电平时，就是基础期间。
峰值电流设定电路IPR，输出预先设定的峰值电流设定信号Ipr。基础电流设定电路IBR，输出预先设定的基础电流设定信号Ibr。电流控制设定电路ICR，在所述峰值期间信号Tp为高电平时，把所述峰值电流设定信号Ipr作为电流控制设定信号Icr输出，而在低电平时，把所述基础电流设定信号Ibr作为电流控制设定信号Icr输出。电流检测电路ID，检测焊接电流Iw，输出电流检测信号Id。电流误差放大电路EI，把所述电流控制设定信号Icr和所述电流检测信号Id的误差放大，输出电流误差放大信号Ei。图2是通过反馈控制使脉冲周期Tf变化的情况，但是也可以通过所述电压误差放大信号Ev使峰值期间、峰值电流、基础电流或它们的组合变化。
图3是表示伴随着短路期间的时间经过的基础电压下限值Vbt的变化模式的图。图3的横轴表示从短路期间的开始时刻起的经过时间，纵轴表示基础电压下限值Vbt的值。如图3所示，特性L1从基础电压基准值Vbc按台阶状下降。这时，每隔数ms，下降数V。此外，特性L2按斜坡状下降，设置最大下限值Vbm，不会下降到该值以下。最大下限值Vbm为4～15V左右，按照焊接条件选择适当值。
权利要求
1.一种脉冲电弧焊接的电弧长度控制方法，对焊条反复进行把峰值期间中的峰值电流的通电和基础期间中的基础电流的通电作为1个脉冲周期的通电，并计算由所述峰值期间中的峰值电压和所述基础期间中的基础电压构成的焊接电压的平均值，通过控制所述脉冲周期、所述峰值期间、所述峰值电流或所述基础电流的至少一个以上，使该焊接电压平均值大致等于预先决定的电压设定值，把电弧长度维持在适当值，其特征在于当在所述基础期间中焊条与母材成为短路状态且从所述基础电压变为短路电压时，把该短路电压限制为比所述基础电压值低给定值的值——基础电压下限值，来计算所述焊接电压平均值，伴随着所述短路期间的时间经过，使所述基础电压下限值变为更低的值。
2.根据权利要求1所述的脉冲电弧焊接的电弧长度控制方法，其特征在于所述基础电压下限值的变化是台阶状。
3.根据权利要求1所述的脉冲电弧焊接的电弧长度控制方法，其特征在于所述基础电压下限值的变化是斜坡状。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的脉冲电弧焊接的电弧长度控制方法，其特征在于对所述基础电压下限值的变化设置最大下限值的限制。
全文摘要
本发明计算由峰值电压和基础电压构成的焊接电压(VW)的平均值，为了使该焊接电压平均值等于预先决定的电压设定值，控制脉冲周期，把电弧长度维持在适当值，其中在基础期间中焊条和母材成为短路状态(Ts)，从基础电压变为短路电压(Vs)时，把短路电压(Vs)限制为基础电压下限值(Vbt)，计算所述焊接电压平均值；伴随着短路期间(Ts)的时间经过，使所述基础电压下限值变为更低的值。在熔化电极式电弧焊接中，提高把平均电弧长度设定得短，进行高速焊接时的电弧长度控制性。
文档编号B23K9/073GK1836818SQ20061007170
公开日2006年9月27日 申请日期2006年3月16日 优先权日2005年3月23日
发明者仝红军 申请人:株式会社大亨