k 11 N. de publicación: ES k 51 Int. Cl. 5 : B23K 9/06 k 72 Inventor/es: Eldridge, Richard A. k 74 Agente: Curell Suñol, Marcelino

Transcripción

1 k 19 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA k 11 N. de publicación: ES k 1 Int. Cl. : B23K 9/06 k 12 TRADUCCION DE PATENTE EUROPEA T3 k k k k 86 Número de solicitud europea: Fecha de presentación : Número de publicación de la solicitud: Fecha de publicación de la solicitud: k 4 Título: Estabilizador de arco de alta frecuencia. k 30 Prioridad: US k 73 Titular/es: Esab Welding Products, Inc. Ebenezer Road P.O. Box 1004 Florence, South Carolina , US k 4 Fecha de la publicación de la mención BOPI: k 72 Inventor/es: Eldridge, Richard A. k 4 Fecha de la publicación del folleto de patente: k 74 Agente: Curell Suñol, Marcelino Aviso: En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicación en el Boletín europeo de patentes, de la mención de concesión de la patente europea, cualquier persona podrá oponerse ante la Oficina Europea de Patentes a la patente concedida. La oposición deberá formularse por escrito y estar motivada; sólo se considerará como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de oposición (art 99.1 del Convenio sobre concesión de Patentes Europeas). Venta de fascículos: Oficina Española de Patentes y Marcas. C/Panamá, Madrid

2 DESCRIPCION La invención se refiere a estabilizadores de arco de alta frecuencia para soldadores que tienen un oscilador de chispa de alta frecuencia y es útil particularmente en conexión con los dispositivos soldadores de tig de CA o CC para mantener la continuidad del arco de soldadura durante las oscilaciones de la tensión de salida o mientras se inicia el arco. Los dispositivos soldadores de tungsteno-gas inerte (tgi) tanto de CA como de CC se conocen en general en la técnica. En tales dispositivos, se proporciona una carcasa hueca con un eléctrodo de tungsteno posicionado en él. Se expulsa un gas inerte, tal como el argón, bajo presión del extremo frontal abierto de la carcasa. El gas inerte rodea el eléctrodo de tungsteno así como la zona de metal que se ha de soldar. También es conocido, respecto de la soldadura con tgi que es necesario suministrar una elevada tensión, del orden de 3.00 voltios más o menos para descomponer el gas e iniciar el arco. Convencionalmente, se ha utilizado un oscilador de chispa en la técnica anterior a este efecto. El oscilador de chispa generará una señal de salida de relativamente alta frecuencia de 3.00 voltios que puede utilizarse para ionizar el gas inerte y así iniciar el arco. Convencionalmente, en los sistemas de la técnica anterior, se ha excitado el oscilador de chispa con una tensiónderedde60hzatravés de un transformador elevador para generar una señal de entrada de alta tensión de 60 Hz, del orden de 3.00 voltios, que luego se utiliza para accionar el oscilador de chispa. No obstante, se utilizan también las mismas señalesde60hzpara proporcionar la tensión de salida y la corriente al eléctrodo de tungsteno y a los elementos metálicos quesesuelden. Como resultado, la entrada de alta tensión al oscilador chispa puede estar en fase con la tensión y corriente de salida del dispositivo soldador. Además de utilizarse para iniciar el arco, en los equipos de soldadura tgi de CA, la salida del oscilador chispa es crítica para mantener el estado ionizado del gas inerte durante los intervalos de tiempo cuando la tensión de salida atraviesa el cero y cambia de polaridad. Sin la señal de alta frecuencia procedente del oscilador chispa durante estos períodos de transición, el arco se extinguirá. No obstante, la tensión de entrada de C.A. ha de superar un umbral predeterminado antes de que el oscilador chispa reciba una tensión lo bastante elevada para dar como resultado la ruptura de los entrehierros para producir la oscilación deseada. Existe por lo tanto una zona muerta cuando la tensión de entrada de CA al oscilador chispa es inferior a este umbral predeterminado. Esta zona muerta se producirá durante los mismos intervalos de tiempo que la tensión de salida también atraviesa el cero, siempre que la tensión al oscilador chispa esté en fase con la tensión de salida. Por lo tanto, el momento en que la tensión de salida debería de estar recibiendo la señal de alta frecuencia procedente del oscilador chispa a fin de mantener el gas inerte en su estado ioni zado, es exactamente el momento en que el oscilador chispa dejará de funcionar. Para evitar este problema, se conoce en general desplazar la fase entre la tensión de salida de CA y la entrada de tensión CA al oscilador chispa. Esta solución ha tenido cierto éxito. No obstante, las máquinas de soldadura tgi más recientes con mandos de equilibrio de onda tienen puntos variables en que la tensión de salida pasa através de cero debido al ajuste de la corriente de salida y del equilibrio de onda. En tales máquinas un circuito de desplazamiento de fase no resuelve el problema totalmente. Debido a la forma asimétrica de la onda de salida puede no ser posible ajustar la fase de la tensión de entrada al oscilador chispa de modo que el oscilador funcione cada vez que se produzcan transiciones de salida. De ahí, que los resultados de esta solución tienden a ser inadecuados. Así, sigue habiendo una necesidad de poder excitar el oscilador chispa a fin de minimizar o eliminar totalmente las zonas muertas en su salida. Además, sería de desear poder no sólo incorporar dichos circuitos excitadores en nuevas máquinas sino también poder modificar las máquinas de soldar tgi existentes a fin de eliminar esta zona muerta. La invención satisface la necesidad antes expuesta proporcionando un estabilizador de arco de alta frecuencia de la construcción expuesta en la reivindicación 1. Preferentemente, el aparato incluye un oscilador de frecuencia relativamente elevada que no está sincronizado con la tensión de corriente alterna utilizada para accionar el equipo soldador. Este oscilador estáacopladoatravés de circuitos intermedios a fin de formar dos trenes de impulsos, uno invertido respecto del otro. Los dos trenes de impulsos están acoplados a través de un transformador elevador de alta tensión que genera una onda rectangular de elevada tensión a los efectos de excitar el oscilador de chispa. Las transiciones esencialmente instantáneas de la onda rectangular de alta tensión utilizada para excitar el generador de distancia entre eléctrodos dan como resultado una salida de alta frecuencia esencialmente continua de dicho oscilador. El oscilador no sincronizado puede implementarse con un disparador de Schmitt. La salida del oscilador puede hacerse pasar a través de disparadores Schmitt primero y segundo estando invertida una de las salidas, para proporcionar dos señales excitadoras, rectangulares y despasadas. Las señales excitadoras pueden acoplarse cada una a una entrada de puerta de un transistor de efecto de campo MOS. Los transistores de efecto de campo MOS pueden a su vez estar acoplados al transformador elevador de alta tensión que a su vez acciona el oscilador de chispa. Además, de acuerdo con la invención puede proporcionarse un método para estabilizar un arco de soldadura tgi. El método puede incluir las etapas de: generar una señal eléctrica no sincronizada repetitiva con al menos dos tensiones de valores diferentes produciéndose las transiciones de una tensiónalaotratensión de forma sustancialmente instantánea; y acoplar esta señal eléctrica

3 no sincronizada a un oscilador de chispa de alta frecuencia que a su vez generará una señal de salida de alta tensión de alta frecuencia esencialmente continua factible para estabilizar el arco. La invención también proporciona un sistema para seleccionar las señales excitadoras desfasadas. Suprimiendo las señales excitadoras de impulsos iniciadores de potencia escogidos, la señal estabilizadora de alta frecuencia y alta tensión puede limitarse a unos pocos milisegundos durante los cuales la tensión de salida atraviesa el cero voltios. Como resultado, el sistema de control del soldador está sujeto a un ruido eléctrico sustancialmente menor. Numerosas otras ventajas y características de la presente invención se harán manifiestas de la siguiente descripción detallada de la invención y de sus realizaciones de las reivindicaciones y de los dibujos anexos en los que se describen los detalles de la invención total y completamente como parte de esta memoria. La Figura 1 es un esquema de bloques de un sistema estabilizador de arco sustancialmente conocido que puede utilizarse con un equipo de soldar tgi; la Figura 2 es la gráfica de una entrada de alta tensión sinusoidal al estabilizador de arco de la Figura 1 y la gráfica de la salida de alta frecuencia del oscilador de chispa que ilustra la presencia de una zona muerta; la Figura 3 es un diagrama de bloques de un estabilizador de arco de acuerdo con la presente invención; la Figura 4 es un esquema electrónico detallado de un estabilizador de arco de acuerdo con la presente invención; la Figura ilustra las tensiones accionadoras del circuito de la Figura 4 en función de tiempo; la Figura 6 es un esquema electrónico de un circuito conmutador utilizable con el estabilizador de arco de la Figura 4; y la Figura 7 es un esquema de sincronización que ilustra diferentes formas de onda halladas en el circuito conmutador de la Figura 6. Si bien esta invención es susceptible de realizarse en muchas formas diferentes, se ilustran en los dibujos y se describirá aquí con detalle una realización específica en el bien entendido de que la presente descripción ha de considerarse como un ejemplo de los principios de la invención y no está destinada a limitar la invención a la realización específica ilustrada. La Figura 1 ilustra un estabilizador 10 de arco de alta frecuencia de la técnica anterior de un tipo conocido en general. El estabilizador de arco 10 incluye un transformador elevador 12 que transforma una entrada de corriente alterna de 11 voltios y 60 Hz a una salida de 3.00 voltios y 60 Hz. El transformador elevador 12 de alta tensión proporciona una entrada eléctrica a un oscilador 14 de chispa de tipo conocido. La salida de alta frecuencia del oscilador 14 de chispa se acopla por una bobina 16 de acoplamiento de alta frecuencia alasalida18delsoldador. Elsistema10podrá utilizarse con los soldadores de corriente alterna o de corriente continua. La Figura 2 ilustra una entrada de alta tensión sinusoidal al oscilador 14 de chispa en función de tiempo y salida de alta frecuencia del oscilador 14 de chispa. Como puede verse de la Figura 2, existe una zona muerta cuando la tensión de entrada cae por debajo de valores umbral predeterminables E TH,-E TH a medida que se acerca periódicamente a cero voltios. Ello da como resultado una zona muerta en la salida de alta tensión y alta frecuencia del oscilador 14 de chispa. Si se proporciona una onda de entrada rectangular al oscilador 14 de chispa, que tiene transiciones esencialmente instantáneas entre niveles primero y segundo de tensión, puede eliminarse esencialmentelazonamuertadelatensión de salida de alta frecuencia. El diagrama de bloques de la Figura 3 representa un sistema 20 estabilizador de arco que elimina la zona muerta en la salida de alta frecuencia del oscilador 14 de chispa. El sistema 20 se acciona, a efectos de ilustración, con 11 voltios corriente alterna, 60 Hz. Se rectifican y se filtran la corriente alterna y tensión de entrada en una fuente de energía 22. La fuente de energía 22 acciona un oscilador astable 24. El oscilador 24 puede realizarse de distintas maneras. La realización exacta de este oscilador no representa una limitación de la presente invención. La señal de salida del oscilador 24 puede fijarse a una variedad de frecuencias. Una frecuencia que se ha encontrado útil es de 240 Hz. La frecuencia de salida del oscilador 24 es asíncrona respecto de la señal de entrada de 60 Hz. Unos circuitos intermedios 26 generan una señal rectangular afirmada y negada en líneas primera y segunda de salida 28 y 30, respectivamente. Las señales excitadoras de las líneas 28 y 30 proporcionan una tensión de entrada a las puertas de los transistores conmutadores 32 y 34, respectivamente. Preferentemente, los transistores conmutadores 32 y 34 serán transistores de efecto de campo MOS de potencia que presenten una impedancia elevada de entrada en cada entrada de puerta. Los transistores de efecto de campo 32 y 34 excitan alternamente el transformador elevador 12. La salida del transformador elevador 12, una onda de alta tensión y alta frecuencia proporciona entonces una entrada al oscilador 14. El uso del sistema20dacomoresultadoelqueeloscilador 14 genere una señal de salida de alta frecuencia y de alta tensión esencialmente continua a la bobina de acoplamiento 16. La Figura 4 es un esquema electrónico del sistema 20. La fuente de energía 22 incluye un rectificador en puente 40 así como un circuito 42 de salida. El oscilador libre 24 puede realizarse con un solo elemento 44 a partir de un disparador exagonal de Schmitt con un bucle apropiado 46 de realimentación. En este caso, el bucle 46 de realimentación es una resistencia de 33 K ohm. La señal de salida de onda cuadrada de 240 Hz procedente del oscilador 24 proporciona una entrada a los excitadores 0 y 2. Las redes 4 y 6 de resistencia-condensador acopladas a los disparadores 0 y 2 de Schmitt excitadores, respectivamente, serán explicadas a continuación. Se invierte la salida del excitador 2 y un disparador 8 de Schmitt. Las formas de onda rectangulares de las líneas 3

4 y 30 están invertidas esencialmente una respecto de la otra. Las señales eléctricas en las líneas 28 y 30 se acoplan a las entradas de puerta de los transistores de efecto de campo MOS de alta potencia 32 y 34, respectivamente. Los transistores 32 y 34 están acoplados a su vez al primario del transformador 12. El sistema 20 puede instalarse en equipos de soldadura tgi nuevos y también puede montarse posteriormente en los equipos de soldadura tgi existentes. La función de las redes 4 y 46 de resistenciadiodo es asegurar que el transistor 32 esté totalmente apagado antes de conectar el transistor 34. La Figura ilustra los efectos de las redes 4 y 6. Como puede verse, la salida en la línea 28 está ligeramente desfasada respecto de la salida en la línea 30. Las respectivas transiciones están desfasadas aproximadamente en 20 microsegundos una respecto de otra. Ello asegura que ambos transistores se desconectan antes de que se intente conectar cualquiera de ellos. Si bien los circuitos de la Figura 4 son efectivos para generar las señales estabilizadoras de arco de alta frecuencia utilizables para arrancar un arco de tgi de corriente continua y que se requieren para el mantenimiento continuo del arco de tgi de corriente alterna, las señales de salida de alta tensión y alta frecuencia presentes continuamente y procedentes del oscilador 14 de chispa pueden perturbar los circuitos de control del sistema de soldadura. En las soldadoras que utilicen rectificadores de silicio para conmutar la corriente de salida, muy frecuentemente se utiliza una red de temporización que se activa con un detector de paso por cero. El detector de paso por cero detecta cuando la tensión secundaria del transformador principal atraviesa el cero. Transcurrido un intervalo escogido de tiempo, un circuito temporizador entonces genera un impulso de salida que se utiliza como impulso de entrada de puerta para el rectificador de silicio apropiado. No obstante, si el ruido de alta frecuencia generado por el generador 14 de chispa perturba este procedimiento, pueden generarse impulsos incorrectos de puerta que pueden provocar el disparo precoz de los rectificadores de silicio. Sería de desear poder conmutar el sistema de lafigura4demodoquelasseñales excitadoras en las líneas 28 y 30, las entradas de puerta a los transistores de efecto de campo 32 y 34 se hallen presentes sólo para cortos períodos de tiempo cuando la tensión de corriente alterna de salida se acerca a un paso por cero. Un esquema para un sistema 60 que proporciona una tal función de conmutación se halla en la Figura 6. La entrada al sistema 60 procede de un chip temporizador LM 62 que se halla en el equipo de soldadura tgi existente. El chip 62 genera señales excitadoras de puerta de rectificador de silicio en una línea 64 a intervalos apropiados de tiempo en respuesta a las señales de entrada en una línea 66. La señal descendente en la línea 64 puede utilizarse para conectar un rectificador de silicio seleccionado. La salida del temporizador 62 por la línea 64 puede utilizarse como entrada a un disparador 66 de Schmitt. El disparador 66 de Schmitt invierte la señal en la línea 64 y genera una salida en una línea 68. La señal en sentido positivo por la línea 68 proporciona una excitación de entrada aundisparador70deschmittatravés de una red 72 de resistencia-diodocondensador. El efecto de la red 72 es estirar el impulso de salida descendente del disparador Schmitt 70. Este impulso aparece en una línea 74. La salida de señal descendente de la línea 74 se acopla a través de diodos a las líneas 0A y 8A de la Figura 4. La tensiónbajaodemásen la línea 74 permite que los disparadores Schmitt 0 y 8 se conmuten y respondan a la señal de entrada de 240 Hz procedente del oscilador 24. Entonces se dispone de excitación para los transistores de efecto de campo 32 y 34. Ello entonces da como resultado el funcionamiento del oscilador 14 de chispa. Una alta tensión en la línea 74 inhibirá lacon- mutación de los disparadores Schmitt 0 y 8, inhibiendo así la excitación de los transistores de efecto de campo 32 y 34. Ello bloquea el funcionamiento del oscilador 14 de chispa. La duración de la baja tensión presente en la línea 74 viene fijada por los valores de la red 72. Los valores indicados producen una anchura de impulso de 2 milisegundos en la línea 74. En la Figura 7, se ilustra la presencia de ruido de alta frecuencia en la línea 66 durante este intervalo de 2 milisegundos. Este intervalo se termina antesdequelasseñales en la línea 66 aumenten de valor al punto en que pueden generarse falsos impulsos de disparo de puerta de rectificador de silicio. Además de reducir en general el ruido en el sistema de control, el sistema 60 limita la potencia necesaria para excitar el oscilador 14 de chispa ya que sólo funciona durante aproximadamente 2 milisegundos durante un semi-período de 8 milisegundos de la tensión de salida de 60 Hz. Quedará entendido que el uso de los disparadores Schmitt 66 y 70 se da únicamente a título de ejemplo y no representa una limitación de la presente invención. Unas formas alternativas de circuitos de conmutación e inversión podrían utilizarse sin separarse del espíritu y alcance de la presente invención. De lo que antecede, se observará que pueden realizarse numerosas variaciones y modificaciones sin separarse del verdadero espíritu y alcance del concepto nuevo de la invención. Debe quedar entendido que no se contempla ni debe inferirse ninguna limitaciónrespecto del aparato específico ilustrado aquí. Naturalmente, es la intención de abarcar por las reivindicaciones anexas todas las modificaciones que caigan dentro del alcance de la invención. 4

5 REIVINDICACIONES 1. Estabilizador (20) de arco de alta frecuencia para un soldador que tiene un oscilador (14) de chispa de alta frecuencia, caracterizado por medios adicionales (24) de oscilación que generan una señal eléctrica no sincronizada repetitiva con al menos dos valores de tensión diferentes, en el que las transiciones de uno de estos valores de tensión al otro valor de tensión se producen de forma sustancialmente instantánea, y que incluye medios (26, 28, 30) de salida que proporcionan salidas primera y segunda del medio (24) de oscilación estando invertida la segunda salida respecto de la primera salida, existiendo medios (32, 34) de alta impedancia que acoplan las salidas primera y segunda al oscilador (14) de chispa de alta frecuencia de modo que se genera una señal de salida de alta frecuencia esencialmente continua por el oscilador de chispa. 2. Estabilizador de arco de alta frecuencia según la reivindicación 1, caracterizado porque el medio adicional (24) de oscilación comprende un oscilador de funcionamiento libre. 3. Estabilizador de arco de alta frecuencia según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado porque los medios (26, 28, 30) de salida están adaptados para proporcionar salidas eléctricas rectangulares. 4. Estabilizador de arco de alta frecuencia según la reivindicación 3, caracterizado porque los medios (26, 28, 30) de salida están adaptados para generar ondas primera y segunda esencialmente cuadradas.. Estabilizador de arco de alta frecuencia según la reivindicación 3 o la reivindicación 4, caracterizado porque el medio adicional (24) de oscilación comprende un oscilador de onda cuadrada de funcionamiento libre. 6. Estabilizador de arco de alta frecuencia según la reivindicación, caracterizado porque el medio adicional (24) de oscilación incluye un disparador Schmitt (44). 7. Estabilizador de arco de alta frecuencia según la reivindicación o reivindicación 6, caracterizado por un medio intermedio (26) que compensa una salida del oscilador (24) de onda cuadrada a fin de formar las salidas eléctricas rectangulares primera y segunda. 8. Estabilizador de arco de alta frecuencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las salidas eléctricas primera y segunda tienen simultáneamente un valor igual escogido durante intervalos predeterminados de tiempo. 9. Estabilizador de arco de alta frecuencia según la reivindicación 7, caracterizado porque el medio intermedio (26) incluye disparadores Schmitt (0, 2). 10. Estabilizador de arco de alta frecuencia según la reivindicación 7, caracterizado porque el medio intermedio (26) incluye disparadores Schmitt (0, 2) cada uno dotado de una red de entrada seleccionada (4, 6). 11. Estabilizador de arco de alta frecuencia según la reivindicación 10, caracterizado porque las redes de entrada (4, 6) desplazan las transiciones de salida en el tiempo de los disparadores Schmitt (0, 2) uno respecto del otro. 12. Estabilizador de arco de alta frecuencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios de alta impedancia (32, 34) incluyen transistores de efecto de campo. 13. Estabilizador de arco de alta frecuencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por medios selectores que conmutan el medio acoplador (32, 34) en respuesta a una señal seleccionada aplicada a fin de inhibir la operación del generador (14) de chispa excepto durante intervalos de tiempo espaciados seleccionados

6

7

8