熔化极型脉冲电弧焊机的制作方法

专利名称:熔化极型脉冲电弧焊机的制作方法
本发明涉及一种熔化极脉冲电弧焊机，在焊接中以含有惰性气体为主要成分的气体对焊件进行保护，并且对焊件连续馈送可熔化电焊丝(以下简称焊丝)，其中对焊机输出的焊接电压进行控制以使焊丝在脉冲焊接电流的条件下以喷射的形式过渡到焊件上，这种方法以下简称“MIG(惰性气体保护金属)脉冲焊接法”。
在常规的MIG脉冲焊接中利用脉冲电流将焊丝金属熔化而保证在喷射状态下过渡到金属焊件上，所以与利用恒定的直流进行的所谓普通的MIG弧焊法具有许多不同的特点。其最大的不同之一即为，当焊接电流较低时，在普通的MIG焊接法中，短路和发弧交替地起作用，而在MIG脉冲焊接法中，熔融的焊丝金属可以在喷射的形式下过渡到金属焊件上，喷射过渡与短路过渡相比较在所产生的飞溅方面有很大的不同，即与正常短路过渡的弧焊相比，在喷射过渡的形态中飞溅被显著地降低，这是MIG焊接方法中极大的特点之一。同时，在MIG脉冲弧焊法中，短路发生在焊丝与金属焊件之间，这时弧电压被整定到低电平以降低弧长，但是，如果在这种情况下弧电压整定的过低，则短路将更频繁地发生，于是所不期望的飞溅即将增加到常规的MIG焊接法所产生的同样程度，另一方面，如果弧电压整定到较高电平以便增加弧长，则在焊丝与金属焊件间发生的短路就被减少，但是，电弧将可能不稳定，因此，在所期望的位置上将无电弧产生，不能获得满意的焊接。
图1曲线表示当送丝速率为6.3M/mm，(焊丝直径为1.2mm)时的焊接电弧电压和短路频率之间的关系，从曲线可看出短路频率随着电弧电压的下降而急速增大，而且在弧电压为24V或高于此值时将无短路发生。
图2曲线表明在如图1所说的同样焊接条件下的焊接弧电压与发生的飞溅量间的关系，从图可见所发生的飞溅量随焊接弧电压的下降而增大，也即，随短路频率的增加而增加，并在焊接弧电压为24V及以上时没有短路发生也就几乎不产生飞溅。详细试验结果证实，当焊接弧电压上升到24V或更高时，所不期望的焊接缺陷(例如咬边)，将随焊接速度的增大而出现。另一方面，当焊接弧电压处于较低电平时，甚至在较高的焊接速度下也不致发生任何咬边现象，但是飞溅却不期望地增加了，因此也发现当电弧电压处于23±0.5V范围内时，如图1所示，短路次数不大于20次/Sec，而且所产生的飞溅量较小，由此而有可能得到最满意的焊接，在这种情况下的电弧长度约为4mm。
如上所述，在MIG脉冲焊接的条件下证明出它的特性是十分有限的，从图1和2所说明的例子来看，焊接弧电压只有约1V的容限。再者，合适的电压值在很大程度上决定于焊接位置、连接形式、气体种类以及其它焊接工作条件;至于焊接形式，例如对轮廓焊接其最佳电压值就比对接平焊约低0.5V。
如上所述可见MIG脉冲焊接方法事实上不仅是合适的电压受一定条件的限制，而有效焊接条件也依赖于焊接的工作情况，所以在进行焊接工作中遇到极大的困难，而且在现场焊接操作中就更成问题了。
本发明试图解决上述问题，其中目的之一便是提供一个装置，它能使电弧长度永远被调整到一个合适的数值。
按照本发明做成的熔化极型脉冲弧焊机，其在规定的时间间隔(以下称之为规范时间)内把在焊接运行中发生在电焊丝与金属焊件之间的短路次数检测出来，并依据此短路检测的结果信号去调节焊接弧电压，由此控制焊接输出，而当nd＝(ns-n)＞0成立时，则焊接弧电压即随此差值nd而减小;且当n-ns＞0成立时，焊接弧电压即随差值nd而增大，并由此去控制焊接输出。式中ns代表予整定的短路次数，n为在规范时间内检测出的短路次数，nd为两者间的差值。
下面将结合附图对本发明的上述各目的、特性和优点进行详细说明。
图1曲线表明焊接电弧电压与短路频率间的关系;
图2曲线表明焊接电弧电压与飞溅产生量间的关系;
图3为说明本发明的焊机运行的流程图;
图4方框图表明本发明焊机的一个实施例的方框图;
图5为图4的电路所产生的输出电压波形图;
图6方框图表明典型化的电路结构，其中，把在图4中放大控制电路14代之以升降放大控制电路26，该电路的放大倍数根据弧隙电压的上升或下降而改变;
图7方框图说明本发明焊机中包括一台微型计算机的实施例构造;
为了解释本发明焊机的运行，在图3中列出了一个流程图，下面即参照它来说明其运行过程。
短路检测电平调节电路使焊接电弧电压输入，并切除焊接电弧电压上高于予定的产生短路波形的电平部分，然后将此短路波形整形得到一个短路(检测)脉冲。计数在规范时间Ts内的该短路脉冲数目n，然后得到n与予定脉冲ns之间的差值nd;若n-ns＞0成立，代表脉冲差值的nd进入到上行计数器，同时，若ns-n＞0成立，则代表脉冲差值的nd进入到下行计数器，计数器的数字输出通过D/A转换器转换成模拟值，对模拟值进行调整，调整后的模拟输出与输出指令信号比较，以便对焊机产生一个偏移输出信号，由此去控制焊机的输出。
图4所示的方框图表示本发明焊机的结构实例，标号1指示短路检测器电路，标号2为短路检测电平调节电路，标号3为波形整形电路，标号4为下行计数器，标号5为上行计数器，标号6为予定值ns整定电路，标号7为规范时间整定电路，标号8、9为锁存电路，标号10为比较器，标号11为脉冲发生器，标号12为上-下行计数器，标号13为D/A转换器，标号14为放大控制电路，标号15为偏移输出电路，标号16为输出指令电压电路，标号17为锁存电路的控制信号发生器电路，标号18、19分别为反相器电路，标号20、21分别为“与”电路，以及22为时间调节电路。
图5为图4电路产生的输出电压波形。在图5中，(a)指示焊接电弧电压波形，(b)为短路检测器电路1的输出波形，(c)指示电路(检测)脉冲，(d)为整定规范时间的脉冲，(e)指示锁存电路的控制信号发生器电路17的输出波形，(f)指示锁存电路的检测信号发生器电路17输出波形的反相，以及Va表示焊接电弧电压。
下面参照图4和图5解释本发明焊机的电路结构和运行。
该短路检测电路1包括有电阻器R1，R3和一个齐纳二极管ZD1;如图5所示的电压波形Va输入到此电路即被齐纳二极管ZD1切成(A)电平变成(b)所示的波形。
该焊接弧电压Va的信号在正常时是一个出现在焊炬与被焊金属件之间的电压信号;在没发生电弧时，出现的是空载电压，其值与焊接弧电压相比甚高，齐纳二极管ZD1即工作于防止本发明的控制电路受过电压而损坏。短路检测电平调节电路2包括有电阻器R3、R4和R5，可变电阻器VR1，以及运算放大器Ic1、调节可变电阻器VR1即能调整短路检测电平，这一操作可用图5(b)中(B)所示的检测电平的调节来代表，当(b)中检测电平B以下的电压波形加到图4中的波形形成电路3中时，就取得如图5(C)所示的具有恒定脉冲周期和电压的输出脉冲波。
这样一来，凡是短路发生的部分，每段焊接电弧电压Va都是一个脉冲方波，此方波加到下行计数器4，予定值ns整定电路6将予定值ns送到下行计数器，规范时间整定电路7将规范时间Ts送到下行计数器，为了整定如图5(d)所示的规范时间Ts，即以脉冲之间的间隔Ts代表该规范时间，在把图5(C)所示的短路脉冲加到下行计数器4时，下行计数器的输出即响应在规范时间内发生的短路脉冲数n开始从予置数ns下数，若短路脉冲数n小于予置数ns，即n＜ns，则下行计数器4输出ns-n＝nd，此输出加到锁存电路8和9，标号17为锁存电路的控制信号发生器电路，它产生图5(e)所示的输出波形，当送到锁存电路8的锁存信号(e)处于高电平时，则锁存电路8即从计数器4输入一个短路脉冲信号，然而，若锁存信号(e)处于低电平，则锁存电路8即将数据保存，该锁存信号也被通过反相器电路18而加到锁存电路9，这样一来即提供了图5所示的锁存信号(f)，该锁存信号(e)和(f)是彼此反相的。虽然下行计数器4的输出加到了锁存器8和9两者之中，如上所述，在锁存电路之一输入了一个短路脉冲的同时，则另一锁存电路除去保持住前一周期的数据(在本规范时间前取得的)外，不再输入任一短路脉冲。
下面讲个例子，属于短路脉数n大于予定数ns′的情况，也即关系式n≥ns成立。
当短路脉冲数n变成等于予定数ns时，下行计数器的输出变为0值。因此，下行计数器4的进位信号从高位变到低位，此进位信号通过反相器电路19转变成高位，此高位信号被加到“与”电路20的A端，而“与”电路20的B端则加到短路脉冲信号。如此一来，与前述相似，当短路脉冲数n变成等于予定数ns时，“与”电路20的A端变成高位，故由此该短路脉冲信号通过“与”电路20的B端而加到上行计数器5，该上行计数器也输入了一个从规范时间电路7来的为确定规范时间TS的信号。上行计数器5因此得到的脉冲数nd＝n-ns，即超过予定脉冲数ns的那部分。起初上行计数器5被置于0位，所以，上行计数器5的输出是nd，该输出脉冲进到锁存电路8和9中，这样一来，当在规范时间TS期内产生的短路脉冲数n比予定脉冲数ns小时，则脉冲差数nd＝ns-n是从下行计数器4产生并加到锁存电路8和9，另一方面，如果在规范时间TS期内产生的短路脉冲数n等于或大于予置脉冲数ns，也即当n≥ns关系成立时，则此差值nd＝n-ns即从上行计数器5产生，并加到锁存电路8和9。如上述情况，该锁存电路8和9交替运行，所以其中之一有信号输入时，另一个则保持前一周期中输入的数据nd，就这样将保持的数据加到了比较器10的输入端A，比较器10的输入端B则从脉冲发生器11输进一个脉冲np，通过它对两个输入端A和B来的信号进行比较后向“与”电路21的输入端A输出，比较器10的输出一直保持高位，直待加到其输入端B上的脉冲数np变成等于加在输入端A上的脉冲数nd为止。但是，如果加到比较器10的输入端B上的脉冲数np高于脉冲数nd，则比较器10的输出变成低位，因为比较器10的输出是连接到“与”电路的A端，所以一个等于脉冲数nd的脉冲np即从脉冲发生器11通过“与”门21而加到上行计数器12。
上-下行计数器12的上-下控制端加有下行计数器4的进位信号;当ns-n＞0式成立时，下行计数器4的进位信号是高位，同时通过反相器电路19而将它转换成低位。当此低位信号加到了上-下行计数器12的上-下控制端时，上-下行计数器即工作如一个下行计数器;另一方面，当关系式n-ns≥0成立时，进位信号是低位，并通过反相器电路19而转换成高位。当此高位信号加到了上-下行计数器12的上-下行控制端时，计数器则工作如一个上行计数器。进位信号通过反相器电路19，再经过时限电路22而加到上-下行计数器12，因为从上行计数器4和下行计数器5输出的脉冲nd被暂时锁存在锁存电路8和9中，故脉冲nd加到上行计数器12上的时间与下行计数器4中进位信号的作用时间不吻合，进位信号加上的时间可以由时间调节电路22进行调节，上-下行计数器12的输出则加到D/A转换器13上，以致数字信号被转换成模拟信号。
当关系式ns-n＞0成立时，上-下行计数器12工作如下行计数器，以致上-下行计数器12输出的数字值按脉冲数nd＝ns-n的关系减小。另一方面，当关系式n-ns≥0成立时，上-下行计数器12工作如一个上行计数器，因而上-下行计数器12的输出按脉冲数nd＝n-ns的关系增长。标号14表示放大控制电路，用于控制D/A转换器模拟输出的大小，并且该放大控制电路14的输出接到偏移输出电路15上。
标号16指示一个输出指令电压电路，它包括有结构元件，例如一个为调节焊机输出用的远方控制器，该输出指令电压电路16的输出信号和放大控制电路14的输出信号都加到偏移输出电路15上，此电路主要由一个运算放大器IC2构成，其输出则加到为焊机用的输出控制元件(未示出)的控制电路上，以控制焊机输出。
从前述可知，当焊接弧电压Va高到在规范时间Ts期内产生的短路脉冲数n比予定脉冲数ns小时，偏移输出电路15的输出即按脉冲差数nd减小，以减小焊机的输出电压，借此来控制短路脉冲数n进行增加。另一方面，当焊接弧电压Va低时，那么在规范时间TS期内产生的短路脉冲数n比予置脉冲数ns大，偏移输出电路15的输出即按脉冲差数nd的关系增大，以增加焊机的输出电压，借此控制短路脉冲数n进行减少。也即，当作用在焊件上的短路的次数比予定值大，则焊接输出电压立即增加以阻止短路次数的增加;然而，若检测出的短路次数比予定值小，则焊机输出电压立即降低到维持一个有效的弧长。
这里比较两种情况，一种是用增大焊接弧电压的方法来维持恒定的弧长，另一种是用降低焊接弧电压的方法来维持恒定的弧长，在这两种情况中在响应的时间方面有所不同，其理由如下。
当关系n＜ns成立时，差值nd＝ns-n在n＝0时为最大，即此时nd＝ns，换言之，差值nd不可能大于ns值;在另一方面，当n＞ns成立时，差值nd＝n-ns则在焊接弧电压较低和n值较大时，nd将比ns大得多。因此其结果为，当n＜ns成立时，它们之间的最大差值被ns限定，而在ns＜n成立时其差值视n的最大值而定，故无限度。因此，有一个这样的机遇，即在焊接电弧电压的增加和减小之间电弧将在某点上发生不平衡，这时焊接电弧即变得不稳定，特别是在ns值起始整定得较小值时这种倾向就更突出。
对上述发生的不平衡现象，可以用适当整定电弧电压的方法得到解决，即，按照差值nd的条件下，整定使电弧电压降低的数值大于按同一差值nd的条件整定使电弧电压增大的数值即可。
也即，设计一个控制电路，使其在增大和降低焊接电弧电压方面具有不同的增益，即可使上述问题获得解决。计及这一因素所设计成的控制电路的结构将参照图6加以解释，在图6中与图4所用的相同标号指示同一或同类元件。
图6与图4的不同之处归结为放大控制电路不同，图4中的放大控制电路14在图6中变为上(升)-下(降)放大控制电路;该电路的工作解释如下。
该上-下放大控制电路26用作控制D/A转换器13的模拟量输出，它包括电阻器R6、R7、R8、运算放大器Ic3和模拟开关23、24。该模拟开关23、24具有相应的控制端C1和C2，当对控制端C1和C2每端输入“高位”信号时，则在每个模拟开关23和24的输入与输出之间的阻抗即变低;同时若对控制端C1和C2施加一个低位输入信号时，其输入与输出之间的阻抗即因此而变高。
当关系n-ns≥0成立时，输入到时限调节电路22的信号变“高”，而在关系ns-n＞0成立时变“低”，此输入信号一方面也加到模拟开关23的控制端C1上，另一方面通过反相器25变成相反相位后加到模拟转换开关24的控制端C2上。因此，当n-ns≥0时，也即当上-下行计数器12工作于上行计数器时，D/A转换器13的输出通过上-下放大控制电路26受其中电阻R6的确定而放大，这是因为该上-下放大控制电路26中的模拟开关23的输入和输出间的阻抗变低，以及模拟开关24的输入和输出间的阻抗变“高”的缘故;同时，当ns-n＞0成立时，也即上-下行计数器工作于下行计数器状态时，D/A转换器13的输出通过上-下放大控制电路26而受其中电阻R7的确定而放大，这是因为上-下放大控制电路26中模拟开关24的输入与输出间的阻抗变低，而模拟开关23的输入与输出之间的阻抗变高的缘故。电阻器R7的电阻选得比电阻R6大，换句话说，当上-下行计数器12工作于下行计数器状态时，D/A转换器13的模拟输出受上-下放大控制电路控制的结果取得较高的放大倍数，它高于当上-下行计数器工作于上行计数器状态时所取得的放大倍数。
由于采用了上-下放大控制电路的结构，故按差值nd的条件而调节的焊接弧电压的下降量大于按同一差值nd条件调节焊接电弧电压的上升量。
也就是说，依靠相同大小的差值nd而控制输出电压的变化，即控制该控制电路的增益而能使焊接电弧更加稳定。
示于图4和图6上的本发明的实施例，在电路结构方面是比较复杂的，而且也是不适用的，下面还要系统地解说本发明的另一个实施系统，该系统采用了一台微处理机，因而比较不太复杂。
在这一系统中，对焊接操作中发生在电焊丝与金属焊件之间的短路次数用一台微处理机在规定的时间间隔(每个规范时间TS)内进行计数，以及对在如此计数的短路次数和在一个存储器件-如ROM中所存储的予定的短路常数ns之间的差值(ns-n)进行计数。当差值(ns-n)等于或大于0，即ns-n≥0成立时，则从一个起始值no中减去(ns-n)值得到n1＝no-(ns-n);同时，当ns-n＜0成立时，则此(n-ns)值被加到no中得到n2＝no+(n-ns)，将n1和n2值转换成模拟量作为控制焊接输出的反馈信号。
图7方框图说明本发明实施系统的结构。在该图中，标号1指示短路检测电路，标号2为短路检测电平调节电路，以及标号3为波形整形电路，这些和图4中的相同。
在焊接工作期间响应发生的短路而从波形整形电路3中产生的脉冲数是通过一个接口设备27而从微型计算机中读取。标号7指示为整定规范时间Ts用的规范时间整定电路，并包含一个可变电阻器VR2以便调节，可变电阻VR2的数值经过一个电阻R9而加到A/D转换器30并被其转换成数字量，然后通过接口27将此数字量送进微型计算机28读取，标号31表示一个包含有ROM RAM等的存储器件，它通过一个缓冲器和锁存电路32而与微型计算机28连接。
下面解释微型计算机的处理运行工况。微型计算机28根据在存储器31中所存储的程序开始工作。首先，微型计算机28读在规范时间Ts内发生的短路脉冲数n，Ts是规范时间整定电路7予先整定好的;然后微型计算机28计算出上述的n与存在存储器31中的短路常数ns之间的差值(ns-n)，如果关系ns-n≥0成立，则(ns-n)被从起始值no中减去而取得n1＝no-(ns-n);同时，若关系ns-n＜0成立，则(n-ns)被加到no中而获得n2＝no+(n-ns)。
每个n1和n2数字量经过微机28这样计算后再通过D/A转换器13转换成模拟量。标号14表示放大控制电路，它用于控制从D/A转换器输出的模拟量的大小，放大控制电路14的输出加到偏移输出电路15，此电路主要由一个运算放大器IC2构成，该放大控制电路包括有一个电阻器R10，一个可变电阻器VR3和运算放大器IC4，从放大控制电路14输出的信号，其大小受可变电阻器VR3的调节。
标号16指示输出指令电压电路，它包括有一个为调节焊机输出的远方控制器，从输出指令电压电流16输出的信号加到偏移输出电路15的A端，而其另端B则施加上从放大控制电路14输出的信号，偏移输出电路15的输出则被加到输出控制元件(图上未示出)的控制电路，以便控制焊机的输出。
如上所述可见，当焊接弧电压Va较高而且在规范时间Ts内产生的短路脉冲数少于予定的短路常数ns时，该偏移输出电路15即按差值nd(＝ns-n)而减小输出，以使焊机的输出电压降低，从而使短路脉冲数增加。另一方面，如果焊接电弧电压Va低，而且短路脉冲数n比予定的短路常数ns大，则偏移输出电路15即根据差值nd(＝n-ns)而增大输出，由此去提高焊机的输出电压和降低短路脉冲数。
如前所述，若微型计算机28是按照下述条件编程，即按焊接弧电压依据脉冲数差值而降低的值大于焊接弧电压依据同一大小的差值而增长的值编程，则即能够改进对电弧长短变化的响应。
从以上描述可知，本发明对MIG脉冲焊接提供了一种新型焊机，该焊机能控制这种焊接中的输出电压工况，在这种焊接中采用了以惰性气体为主要成分的保护气体，并以能熔融的电焊丝送到焊接件上通过脉冲焊接电流而有效地进行融化焊接。在本发明的这种焊机中，以增大焊接弧电压来阻止因为短路的发生率比予定值高时立即短路次数的继续增大，以及使焊接弧电压降低到当焊接弧电压一经增加到短路发生次数接近于且小于予整定值ns时立即能提供一个适当弧长所需的电压数值，该弧长恰能让短路次数接近等于予定值ns。
按照上述控制方法所导致的结果为，弧长能够永远地被调节到一个足够的数值，由此焊接电弧变得非常稳定，而且因此有可能实现满意的焊接，其中仅带有小量的飞溅。再者，即使当焊炬与焊件之间的距离由于人工操作的不稳而造成变化时，而焊接的长度仍能保持恒定。所以，至今离不开的为焊接工作去整定所要求的焊接条件，这项需要很高技术的工作也就消除了，因此改进了焊接工作中的焊接效率和经济价值。
更进一步说，焊机输出的有效输出值可不受诸如焊接位置、接合形式、气体类型以及其它焊接条件的影响，本发明的焊接对弧长永远调节到能提供合适的短路次数，故能实现高效率的焊接工作。
权利要求
1、一种熔化极型脉冲电弧焊机，其中在焊接工况中发生在电焊丝与金属焊件之间的短路次数在规定的时间间隔内被检测出来，用此短路检测信号去调节焊接电弧电压，并由此控制焊接输出，所述的电焊机的特征为，包括有控制焊接输出的装置，利用在予定的短路次数ns与在每个规定时间间隔内所检测出来的短路次数n之间的差值，去控制焊接弧电压；当此差值关系为ns-n＞0时，控制使焊接弧电压下降；当关系为n-ns＞0时，按照该差值nd控制使焊接弧电压上升。
2、按照权利要求
1所述的熔化极型脉冲电弧焊机，其中焊接电弧电压按差值nd条件调节的下降值大于按同一大小差值nd条件调节的焊接弧电压的上升值。
3、一种熔化极型脉冲电弧焊机其特征为包括有一个短路检测电路，用于检测在电焊丝与金属焊件之间进行焊接工作中发生的短路;一个存储装置，用于存储予定的短路次数ns;一台微型计算机，用于计数从所述的短路检测电路在规定时间间隔内发生的短路脉冲n，用于产生由该微处理机计数的短路检测脉冲数和由上述存储装置中予置的短路次数ns之间的一个差值nd(＝ns-n)，以及进行如下计算，即当ns-n＞0成立时，则ns-n被从一个起始值n0中减去，于是得到n1＝n0-(ns-n)，同时，当ns-n＜0成立时，n-ns被加到n0中而取得n2＝n0+(n-ns)，将由此算得的n1和n2值转换成模拟量，它被用作控制所述的焊机的焊接输出的反馈信号。
专利摘要
熔化极型脉冲电弧焊机中设有控制焊机输出的装置，以及具有以下电路的控制装置，即，检测在焊接期间预定时间间隔内发生在电焊丝与金属焊件之间的短路次数n的检测电路，为计算nd＝ns-n的处理单元，其中ns为预定的短路次数；还设有控制焊机的焊接输出并使焊接电弧电压按照nd＞0的大小来下降，而按照当nd＜0时随|nd|的大小而上升。
文档编号B23K9/09GK85106067SQ85106067
公开日1986年10月8日 申请日期1985年8月10日
发明者平泽一成 申请人:松下电器产业株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan