焊接电源的输出控制方法.pdf

本发明提供一种焊接电源的输出控制方法。在熔化电极电弧焊接电源中，电子地形成期望的外部特性以及期望的电感值，实现焊接质量的提高。外部特性函数电路(ERF)内置有多个外部特性，将焊接电流检测信号(id)作为输入，输出焊接电源的输出电压设定信号(Er)。电感设定电路(LR)输出用于设定焊接电源的适当电感值的电感设定信号(Lr)。电流设定变化量算出电路(DIR)将输出电压设定信号(Er)、焊接电压检测信号(vd)以及电感设定信号(Lr)作为输入，算出电流设定变化量信号ΔIr＝(Er-vd)/Lr。电流设定积分电路(IIR)对该电流设定变化量信号(ΔIr)进行积分并算出焊接电流控制设定信号(Irc)。按照该焊接电流控制设定信号(Irc)对焊接电流(i)进行输出控制。

1.  一种焊接电源的输出控制方法，其特征在于，
预先设定将焊接电流检测值id作为输入，输出焊接电源的输出电压设定值Er的外部特性函数，预先设定将焊接电源的适当电感值设定的电感设定值Lr，
检测焊接中的焊接电流以及焊接电压，将该焊接电流检测值id作为输入并由上述外部特性函数算出输出电压设定值Er，将该输出电压设定值Er、上述焊接电压检测值vd以及上述电感设定值Lr作为输入来算出电流设定变化量ΔIr＝(Er—vd)/Lr，对该电流设定变化量ΔIr进行积分来算出焊接电流控制设定值，控制输出以使上述焊接电流检测值id与上述焊接电流控制设定值大致相等。

2、  根据权利要求1所述的焊接电源的输出控制方法，其特征在于，
将上述外部特性函数设定为在焊接状态为短路状态时和电弧发生状态时不同的函数。

3、  根据权利要求1或2所述的焊接电源的输出控制方法，其特征在于，
将上述外部特性函数设定为按照送丝速度而不同的函数。

焊接电源的输出控制方法
技术领域
本发明涉及能够在焊接电源中将适当电感值以及适当外部特性设定为期望值的焊接电源的输出控制方法。
背景技术
图4为一般的熔化电极电弧焊接装置的结构图。焊接电源PS被输出控制以使外部特性成为恒电压特性，输出适于焊接的焊接电压v以及焊接电流i。焊丝1通过与丝送给电动机WM相结合的送给辊5的旋转而通过焊炬4内被送给，并且经由供电芯片4a被供电而电弧3在与母材2之间产生。
图5为表示上述的焊接电源的外部特性的一例的图。该图的横轴表示焊接电流i，纵轴表示焊接电压v。该图为在一般的熔化电极电弧焊接中使用的恒电压特性的情况。在该图中，i＝0时v＝E，设外部特性的斜率为-Rm时，外部特性成为下式。
v＝E—Rm·i
通过外部特性而焊接状态的稳定性被左右，因此开发了按照焊接法、母材材质、送丝速度等的焊接条件通过电子的控制形成最佳的外部特性的技术(参照例如专利文献1、2)。
图6为熔化电极电弧焊接的典型的电压·电流波形图。该图(A)表示焊接电压v，该图(B)表示焊接电流i。该图为交替地反复短路期间Ts和电弧期间Ta的短路过渡焊接的情况。时刻t1～t2的短路期间Ts中，焊丝与母材处于短路状态，如该图(A)所示，焊接电压v成为低的值，如该图(B)所示，焊接电流i逐渐增加。时刻t2～t3的电弧期间Ta中，焊丝与母材之间处于电弧发生状态，如该图(A)所示，焊接电压v增加到电弧电压，如该图(B)所示，焊接电流i逐渐減少。焊接电流i的增加及減少速度由电流通电路的电感值和焊接负载来决定。电感值成为设置在焊接电源的内部的电抗器的电感值与由焊接用电缆的缠绕所产生的电感的总计值。焊接电流i的增加以及減少速度为适当的这点是用于得到稳定的焊接状态的重要的要素之一。根据焊接法、母材材质、送丝速度等的焊接条件而适当的焊接电流i的增加以及減少速度不同，因此需要按照焊接条件设定最佳的电感值。
电抗器将电缆缠绕到铁芯来制作，但在其构造上使电感值变化是困难的。因此，开发了通过电子控制来形成电抗器的技术(参照例如专利文献3)。在该电子电抗器控制方法中，能够形成与焊接条件相对应的最佳电感值。以下对该现有技术进行说明。
图7(A)为焊接电源PS的等效电路图。E表示恒压源，Lm表示适当电感值，Rm表示适当电阻值。电阻值为焊接电源内部的布线电阻值及焊接用电缆的电阻值的总计值，该值决定外部特性的斜率。
该图的等效电路能够由下式表示。
E＝Rm·i+Lm·di/dt+v......(1)式
在该式中，电流变化di/dt＝0时的焊接电压v与焊接电流i之间的关系成为外部特性。如果将di/dt＝0代入到上式，则成为下式。
v＝E-Rm·i
上式表示图5所示的外部特性。
对上述(1)式进行整理，得到下式。
di/dt＝(E—v—Rm·i)/Lm
对两边进行积分，得到下式。
i＝∫((E—v—Rm·i)/Lm)·dt
在此，分别将焊接电流i置换为焊接电流控制设定值Irc，将输出电压E置换为输出电压设定值Er，将适当外部特性斜率Rm置换为外部特性斜率设定值Rr，将适当电感值Lm置换为电感设定值Lr时，得到下式。
Irc＝∫((Er—v—Rr·i)/Lr)·dt......(2)式
图7(B)表示与该式相对应的等效电路。在该图中，检测焊接电压v及焊接电流i，进行控制以使与恒电流源CC的焊接电流i相当的焊接电流控制设定值Irc成为上述(2)式的运算值。
通过进行上述的控制，能够电子地形成期望的电感值Lr以及期望的外部特性的斜率—Rr。
【专利文献1】JP特开平6—170538号公报
【专利文献2】JP特开平7—1130号公报
【专利文献3】JP特开2003—305571号公报
在现有技术中，由于能够电子地形成期望的电感值Lr以及外部特性的斜率—Rr，因此能够使焊接状态稳定化。但是，能够由该现有技术形成的外部特性，由于Rr>0，因此成为斜率—Rr<0的向右下降的直线的情况。
为了进一步实现溅射发生量的削減、焊缝外观的提高等的焊接品质，需要形成图8所示的折线的外部特性L1。该图中所示的外部特性L1成为在i≦It1时向右下降的垂下特性，It1>i时向右上升的上升特性。需要形成这种折线的外部特性L1，并且形成期望的电感值Lr。
发明内容
在此，本发明的目的在于，提供一种能够同时电子地形成折线的外部特性以及期望的电感值的焊接电源的输出控制方法。
为了解决上述的课题，第1发明的焊接电源的输出控制方法的特征在于，预先设定将焊接电流检测值id作为输入，输出焊接电源的输出电压设定值Er的外部特性函数，预先设定将焊接电源的适当电感值设定的电感设定值Lr，检测焊接中的焊接电流以及焊接电压，将该焊接电流检测值id作为输入并由上述外部特性函数算出输出电压设定值Er，将该输出电压设定值Er、上述焊接电压检测值vd以及上述电感设定值Lr作为输入来算出电流设定变化量ΔIr＝(Er—vd)/Lr，对该电流设定变化量ΔIr进行积分来算出焊接电流控制设定值，控制输出以使上述焊接电流检测值id与上述焊接电流控制设定值大致相等。
第2发明，根据第1发明所述的焊接电源的输出控制方法，其特征在于，将上述外部特性函数设定为在焊接状态为短路状态时和电弧发生状态时不同的函数。
第3发明，根据第1发明或第2发明所述的焊接电源的输出控制方法，其特征在于，将上述外部特性函数设定为按照送丝速度而不同的函数。
通过上述第1发明，能够形成期望的折线的外部特性，并且能够形成期望的电感值。因此，能够按照焊接条件适当化外部特性以及电感值，能够提高焊接状态的稳定性。能够形成的外部特性为恒电压特性、上升特性、垂下特性以及它们的复合的特性。
通过上述第2发明，能够形成短路状态和电弧发生状态下分别不同的最优外部特性。同时，能够形成期望的电感值。因此，能够按照各种焊接条件最优化外部特性以及电感值，进而能够提高焊接质量。
通过上述第3发明，能够按照送丝速度将外部特性最优化。同时，能够形成期望的电感值。因此，能够按照各种焊接条件最优化外部特性以及电感值，进而能够进一步提高焊接质量。
附图说明
图1为表示本发明的实施方式1相关的外部特性的图。
图2为用于实施本发明的实施方式1相关的输出控制方法的焊接电源的框图。
图3为表示本发明的实施方式2相关的外部特性的图。
图4为一般的熔化电极电弧焊接装置的结构图。
图5为表示现有技术中的外部特性的图。
图6为熔化电极电弧焊接的电压·电流波形图。
图7为用于说明现有技术中的焊接电源的输出控制方法的等效电路图。
图8为用于说明课题的外部特性图。
【符号的说明】
1 焊丝
2 母材
3 电弧
4 焊炬
4a 供电芯片
5 送给辊
CC 恒流源
DCL 电抗器
DIR 电流设定变化量算出电路
E 输出电压
EI 电流误差放大电路
Ei 误差放大信号
Er 输出电压设定(值/信号)
ERF 外部特性函数电路
i 焊接电流
ID 电流检测电路
id 电流检测信号
IIR 电流设定积分电路
Irc 焊接电流控制设定(值/信号)
L1～L3 外部特性
Lio 电感值
Lm 适当电感值
LR 电感设定电路
Lr 电感设定(值/信号)
PM 电源主电路
PS 焊接电源
Rio 电阻值
Rr 外部特性斜率设定值
Ta 电弧期间
Ts 短路期间
v 焊接电压
VD 电压检测电路
vd 电压检测信号
WM 丝送给电动机
ΔIr 电流设定变化量(信号)
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
[实施方式1]
以下对用于本发明相关的焊接电源的输出控制方法的基本运算式进行说明。输出电压设定值Er、电感设定值Lr、外部特性斜率设定值Rr、焊接电流i、焊接电压v以及焊接电流控制设定值Irc之间，上述的(2)式成立。
Irc＝∫((Er—v—Rr·i)/Lr)·dt
在此，(Er—Rr·i)如上述那样表示外部特性，因此对其进行扩展而作为函数Er(i)置换时，成为下式。
Irc＝∫((Er(i)—v)/Lr)·dt......(3)式
该运算式为本发明的基本运算式。
图1为表示由折线所示的外部特性的函数Er(i)的一例的图。该图的横轴表示焊接电流i，纵轴表示输出电压设定值Er。该折线的外部特性函数能够由下式表示。
i≦It1 Er＝a11·i+b11……(4)式
It1<i Er＝a12·i+b12……(5)式
但是，a11、b11、a12以及b12为常数。斜率a11<0，斜率a12>0。因此，(4)式表示垂下特性，(5)式表示上升特性。以下，基于(3)～(5)式对本发明的输出控制方法进行说明。
如该图所示，焊接中的任意的时刻的焊接电流为i＝i1时，It1≦i1，因此通过上述(5)式，如下那样算出输出电压设定值Er。
Er＝a12·i1+b12
将该值代入上述(3)式，时时刻刻进行积分而算出焊接电流控制设定值Irc。而且，按照焊接电流i与该焊接电流控制设定值Irc大致相等的方式控制焊接电源的输出。
图2为用于实施本发明的实施方式1相关的输出控制方法的焊接电源的框图。以下，参照该图对各模块进行说明。
电源主电路PM，以3相200V等的商用电源作为输入，按照后述的误差放大信号Ei进行逆变器控制等的输出控制，输出输出电压E以及焊接电流i。该电源主电路PM由下述部分构成：对商用电源进行整流的1次整流器；对被整流的直流进行平滑的平滑电容器；将被平滑的直流变换为高频交流的逆变器电路；将高频交流降压为适于焊接的电压值的高频变压器；将被降压的高频交流整流为直流的2次整流器；将误差放大信号Ei作为输入进行脉宽调制控制的调制电路；将脉宽调制控制信作为输入来驱动逆变器电路的开关元件的驱动电路。在焊接电流i的通电路径中存在电阻值Rio以及电抗器DCL所产生的电感值Lio。电阻值Rio为焊接电源的内部以及外部的布线所产生的电阻值。电感值Lio为设置在焊接电源内部的电抗器以及焊接用电缆的缠绕(引き回し)所产生的电抗器的总计的电感值。通常，该电阻值Rio为0.01～0.05Ω程度，电感值Lio为20～50μH程度。
焊丝1通过与丝送给电动机相结合的送给辊5的旋转被送给到焊炬4内，在与母材2之间发生电弧3。
电流检测电路ID检测焊接电流i，输出电流检测信号id。电压检测电路VD检测焊接电压v，输出电压检测信号vd。外部特性函数电路ERF中内置有外部特性函数(例如上述的(4)～(5)式)，将上述的电流检测信号id作为输入输出输出电压设定信号Er。
电感设定电路LR输出预定的电感设定信号Lr。电流设定变化量算出电路DIR将上述的输出电压设定信号Er、上述的电感设定信号Lr以及上述的电压检测信号vd作为输入，算出电流设定变化量信号ΔIr＝(Er—v)/Lr。电流设定积分电路IIR对该电流设定变化量信号ΔIr进行积分，输出焊接电流控制设定信号Irc。通过这些电流设定变化量算出电路DIR以及电流设定积分电路IIR运算上述的(3)式。
电流误差放大电路EI放大上述的焊接电流控制设定信号Irc和电流检测信号id之间的误差，输出误差放大信号Ei。
通过上述的结构，能够形成图1所示的外部特性。此时，即使焊接用电缆的长度发生变化且电阻值Rio也发生变化，也对所形成的外部特性不带来影响。同时，通过上述的结构，能够设定为由电感设定信号Lr所设定的电感值。此时，即使焊接用电缆的缠绕发生变化而电感值Lio发生变化，也被控制以使所设定的通电路径的电感值与设定值Lr相等。
通过上述的实施方式1，能够形成期望的折线的外部特性，并且能够形成期望的电感值。因此，能够按照焊接条件适当化外部特性以及电感值，能够提高焊接状态的稳定性。能够形成的外部特性为恒电压特性、上升特
性、垂下特性以及它们的复合的特性。
[实施方式2]
图3为表示本发明的实施方式2相关的外部特性函数的图。该图的横轴表示焊接电流i，纵轴表示输出电压设定值Er。该图与上述的图1相对应，外部特性L1相同。以下，参照该图进行说明。
该图由三个外部特性L1～L3构成。外部特性L1的函数为上述的(4)
以及(5)式。外部特性L2为以下的函数。
i≦It1 Er＝a21·i+b21
It1<i≦It2 Er＝a22·i+b22
It2<i Er＝a23·i+b23
此外，外部特性L3能够由下式表示。
i≦It1 Er＝a31·i+b31
It1<i Er＝a32·i+b32
外部特性L1的焊接状态为电弧发生状态，并且在送丝速度为基准值以下时被选择。外部特性L2在焊接状态为短路状态时被选择。外部特性L3的焊接状态为电弧发生状态，并且在送丝速度超过上述基准值时被选择。由此，通过按照焊接状态以及焊接条件来形成多个外部特性，从而能够进一步提高焊接质量。作为上述以外的焊接状态，有短路状态的经过时间、电弧发生状态的经过时间、焊接异常的发生等。此外，作为上述以外的焊接条件，有焊接法、母材材质、焊丝的种类等。按照这些焊接状态以及焊接条件来最优化外部特性并存储多个，从这其中选择最佳的外部特性。
用于实施本实施方式的焊接电源的框图，在上述的图2中如下那样变更外部特性函数电路ERF。本实施方式中的外部特性函数电路ERF内置有图3所示的多个外部特性函数，通过短路/电弧判断信号以及送丝速度信号来从外部特性L1～L3中选择一个。此外的模块的工作与图2相同。
通过上述的实施方式2，能够在短路状态和电弧发生状态下形成分别不同的最佳外部特性。此外，能够按照送丝速度形成不同的外部特性。此时，同时能够形成期望的电感值。因此，由于能够按照各种焊接条件最优化外部特性以及电感值，因此能够进一步提高焊接质量。
本发明能够适用于碳酸气电弧焊接、金属极惰性气体保护焊接(ミグ溶接)、金属极活性气体保护焊接(マグ溶接)、交流熔化电极电弧焊接等中。