CN101612688B

CN101612688B - 斜特性式脉冲熔化极气体保护焊弧长自动调节方法

Info

Publication number: CN101612688B
Application number: CN 200810115640
Authority: CN
Inventors: 蒋力培; 邹勇; 曹莹瑜
Original assignee: Beijing Institute of Petrochemical Technology
Current assignee: Beijing Institute of Petrochemical Technology
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2028-06-26
Also published as: CN101612688A

Abstract

一种斜特性式脉冲熔化极气体保护焊自动调节电弧电压的方法，主要通过焊弧长自动调节模型，采用焊电源的外特性斜率计算法来定量调整其弧长的自动调节强度，来建立斜特性式焊电源控制系统。本发明的方法以外特性斜率为判据，以峰值电流时间为控制量，使脉冲熔化极气体保护焊过程的电弧电压与弧长自动调节到稳定工作点。本发明的方法简单有效，具有自适应调节参数功能，适应性强，可用于MIG焊、MAG焊与CO₂气体保护焊。

Description

斜特性式脉冲熔化极气体保护焊弧长自动调节方法

技术领域

本发明涉及一种脉冲熔化极气体保护焊逆变电源自动调节弧长方法，尤其是以脉冲熔化极气体保护焊逆变电源外特性斜率为判据，以峰值电流时间为控制量的斜特性式脉冲熔化极气体保护焊电源弧长自动控制方法。

背景技术

熔化极气体保护焊过程中熔滴过渡是个动态过程，弧长与弧压也随之是个动态变量，只有稳定的平均电弧电压，不可能也没有必要精确控制电弧电压波形，但有必要也有可能精确控制电流波形，使之在每个熔滴短路过渡周期都基本一致，从而使整个焊接过程稳定。

目前，熔化极气体保护焊设备已广泛采用逆变式直流焊接电源，熔化极气体保护逆变电源不仅具有体积小、重量轻、效率高等优点，而且开拓了发展各种脉冲式或波控式熔化极气体保护焊机的新局面。基于IGBT逆变电源的工作频率高大20KHz，逆变式熔化极气体保护焊电源的控制周期仅为50us，具有非常优良的动态响应特性，能以0.1ms的响应速度控制熔化极气体保护焊燃弧过程及短路过程的电流波形，在焊接过程中，熔化极气体保护焊燃弧阶段的电流峰值与基值可被精确控制在设定值，实现理想的电流波形控制使每个熔滴的能量得到定量控制，从而大幅度提高设备的焊接性能。

实践表明，要进行熔化极气体保护焊逆变电流波形控制就必须采用恒流式控制方式，但在脉冲熔化极气体保护焊设备采用恒流闭环控制熔化极气体保护焊脉冲电流波形时，其电源外特性也就为恒流特性，即脉冲熔化极气体保护焊机不再具有平特性熔化极气体保护焊电源的电弧电压自身调节功能。众所周知，在等速送丝式熔化极气体保护焊设备中，传统是采用平特性熔化极气体保护焊整流电源来解决电弧电压自动调节问题，使熔化极气体保护焊机有足够的电弧电压自身调节强烈性，否则熔化极气体保护焊接电弧电压不能稳定，焊接过程也就无法稳定。这样，如何保证熔化极气体保护焊电源具有电弧电压自动调节功能就成为了一大研究热点。

发明内容

根据背景技术所述，本发明的目的在于提供一种既保持了脉冲熔化极气体保护焊逆变电源峰值与基值电流的恒流特性以精确控制电流波形，又使脉冲熔化极气体保护焊接电源成为外特性斜率可调的斜特性电源，从而保证了脉冲熔化极气体保护焊逆变电源在焊接过程中具有足够强烈的电弧电压自动调节特性的斜特性式脉冲熔化极气体保护焊弧长自动调节方法，此方法以外特性斜率为判据，以峰值电流时间为控制量，通过电弧电压反馈控制峰值电流时间使脉冲焊逆变电源获得可调的斜降伏安特性，在焊接电弧长度变化时自动调节焊接电流与焊丝熔化速度来恢复弧长，使脉冲熔化极气体保护焊过程的电弧电压与弧长自动调节到稳定工作点。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下效果与优点：

(1)合理解决了熔化极气体保护焊采用恒流控制电流波形时的自动调节电弧长度与电弧电压问题；

(2)可以通过调节脉冲熔化极气体保护焊电源外特性斜率来定量调整其弧长自动调节强度；

(3)斜特性式脉冲熔化极气体保护焊电源具有自适应调节参数功能，无需设定焊接电压，焊接过程就能自适应稳定在一定的弧长与电弧电压；

(4)本发明适用于各种波控式熔化极气体保护焊，包括MIG焊、MAG焊与CO₂气体保护焊。

附图说明

图1为本发明控制系统原理图

图2为本发明自动调节控制模型框图

图3为本发明脉冲峰值电流时间调节关系曲线

图4为本发明自动调节模型产生的脉冲熔化极气体保护焊外特性曲线

图5为本发明自动调节示意图

图6为本发明自动调节系统自适应控制原理图

图7为本发明自动调节系统自适应控制示意图

具体实施方式

一种斜特性式脉冲熔化极气体保护焊弧长自动调节方法，主要采用斜特性式脉冲熔化极气体保护焊弧长自动调节模型来建立斜特性式脉冲熔化极气体保护焊电源控制系统，采用脉冲熔化极气体保护焊电源的外特性斜率设计算法来定量调整其弧长自动调节强度。

由图1示出，本发明的弧长自动调节系统是以脉冲CO₂焊峰值电流时间t_p为控制量，以脉冲CO₂焊的平均电流与电压间斜特性关系为准则，通过电弧电压闭环反馈控制t_p，使系统得到稳定的电弧电压工作点。

由图2示出，为斜特性式脉冲CO₂焊电弧电压自动调节系统的控制模型框图。此自动调节系统的工作过程如下：CO₂焊接电弧电压U_h被反馈到系统输入端与设定的名义焊接电压Us进行比较，检测出焊接电压偏差值ΔU_H；将焊接电压偏差值ΔU_H输入G1调节环节后产生峰值电流时间调整量Δt_p＝G₁·ΔU_H；将峰值电流时间调整后产生焊接电流调整量ΔI_H＝G₂·Δt_p；由焊接电流调整量ΔI_H产生焊丝熔化速度变化量ΔV_m＝G₃·ΔI_H；由焊丝熔化速度变化量ΔV_m与等速送丝速度V_c共同作用下使焊丝末端与熔池表面距离发生变化，即电弧长度产生变化量Δλ＝G₄·ΔV_m；由于电弧长度变化量Δλ导致电弧电压偏差减小ΔU_H＝G₅·Δλ；以上过程不断闭环进行，周而复始，则使电弧电压趋于稳定工作点，在稳定工作点时的焊丝熔化速度等于焊丝送进速度。

图2中的各调节函数关系为：

G₁＝-K_t

G_{2} = I_{p} \cdot \frac{Δ t_{p}}{T_{o}}

G_{3} = V_{c} \cdot \frac{1}{I_{H}}

G₄＝ΔT

G₅＝E_c

F＝K_v

其中，K_t为峰值电流时间调节系数

I_p为峰值电流设定值

T_o为脉冲熔化极气体保护焊脉冲周期

V_c为CO₂焊过程中设定的等速送丝速度

ΔT为脉冲CO₂焊电弧电压自动调节系统的调整时间量

E_c为CO₂焊电弧弧柱电场强度

K_v为CO₂焊电弧电压传感系数

由图3示出本发明的脉冲CO₂焊电弧电压自动调节模型的关系曲线t_p(U_H)，图4所示为脉冲CO₂焊电源斜外特性曲线I_H(U_H)。

关系曲线t_p(U_H)表明，在电弧电压的工作范围内，当电弧电压变化量为ΔU_H时，自动调节系统就产生反向的峰值电流时间调节量Δt_p，即Δt_p＝-K_t·ΔU_H，其中K_t就为特性曲线斜率。

脉冲CO₂焊电源斜外特性曲线I_H(U_H)表明，在电弧电压工作范围内，当电弧电压变化ΔU_H时，自动调节系统通过调节峰值电流时间t_p就可以产生反向的焊接电流变化量ΔI_H，即

Δ I_{H} = I_{p} \cdot \frac{Δ t_{p}}{T_{o}} = \frac{I_{p}}{T_{o}} (K_{t} \cdot {ΔU}_{H}) = K \cdot {ΔU}_{H},

其中K就是斜外特性曲线的斜率，有

K = K_{t} \cdot I_{p} \cdot \frac{1}{T_{o}}

(式1)

则，斜特性式脉冲CO₂焊机电弧电压自动调节系统的控制模型为：

{ΔI}_{H} = (K \cdot {ΔU}_{H} =) K_{t} \cdot \frac{I_{p}}{T_{o}} \cdot {ΔU}_{h}

(式2)

如图5、6所示，式2自动控制模型的物理本质是，通过对焊丝熔化速度的闭环控制，脉冲CO₂焊机的输出电流能随焊接电弧电压变化而自动调节，当电弧电压U_h变大时，电弧电流I_h就自动减小，从而使电弧能量减小，焊丝熔化速度降低，在送丝速度为等速不变的情况下，焊丝末端向熔池移动，自动减小电弧长度与电弧电压；当电弧电压U_h变小时，电弧电流I_h就自动增大，从而使电弧能量增大，焊丝熔化速度变大，自动增加弧长与电弧电压。上述自动调节过程在脉冲CO₂焊过程中不断进行，使焊接电弧长度与焊接弧电压在稳定工作点达到动态平衡。实际上，此稳定工作点不一定就是设定的参考焊接电压U_s值，而是一个能保持焊丝熔化速度与焊丝送进速度动态平衡的工作点。

如图7所示，在脉冲熔化极气体保护焊电源外特性斜率不变的情况下，随意改变焊丝送进速度，焊接过程都能自动稳定在新的工作点；同样，在送丝速度不变的情况下，改变电源外特性斜率，或改变焊接电流峰值都不会影响焊接过程的稳定性。因而，本发明具有良好的自适应调节焊接稳定工作点电压与电流功能。

又知，脉冲CO₂焊电源外特性斜率设计算式的推导过程如下：

本发明提出的脉冲CO₂焊电弧电压自动调节方法的控制模型(式2)表明，其自动调节电弧电压的强烈性取决于脉冲CO₂焊电源外特性斜率K，通过合理设计斜率K值就可以保证电源有足够的电弧电压自动调节强度。这样，通过定量设计斜率K值，就可以定量调整电源的电弧电压自动调节强度。鉴于，斜率K值是可以通过测定脉冲CO₂焊电源外特性而实测出的，这就使得本发明提出的自动调节方法具有可以直观定量确定其电弧电压自动调节强度的特点。

脉冲CO₂焊电源外特性斜率K值设计原则是在弧长调节周期T_λ内，产生与弧长变化量Δλ_H相当的反方向焊丝末端位移量，使弧长与电弧电压自动回至稳定值。

即

{ΔV}_{m} \cdot T_{λ} = {ΔU}_{H} \cdot \frac{1}{E_{c}}

(式3)

(式3)中左项为焊丝熔化速度变化引起的焊丝末端位移量；等式右项为脉冲CO₂焊弧长变化量。

在焊接过程稳定时，焊丝熔化速度V_m与焊丝送进速度V_c保持动态平衡，有

V_m＝V_c

则

{ΔV}_{m} = {ΔV}_{c} = {ΔI}_{H} \cdot \frac{V_{c}}{I_{H}}

此关系代入(式3)有：

{ΔI}_{H} \cdot V_{c} \cdot T_{λ} \cdot \frac{1}{I_{H}} = {ΔU}_{H} \cdot \frac{1}{E_{c}}

由(式2)的自动调节控制模型，则得斜率K设计算式：

K = I_{H} \cdot \frac{1}{V_{c} \cdot E_{c} \cdot T_{λ}}

(式4)

应用式4可定量设计脉冲CO₂焊电源外特性斜率K值，其计算步骤为：

(1)确定脉冲CO₂焊得平均焊接电流值I_H

在焊接过程稳定有近似关系：

I_{H} \approx \frac{I_{p} \cdot t_{p} + I_{b} \cdot t_{b}}{t_{p} + t_{b}}

(式5)

其中，I_p、I_b分别为根据焊接工艺设定的脉冲CO₂焊峰值电流与基值电流值；

t_p、t_b分别为设定的脉冲CO₂焊峰值电流时间与基值电流时间。

(2)确定脉冲CO₂焊的送丝速度Vc

可按脉冲CO₂焊的平均焊接电流值I_H在CO₂焊熔化特性曲线中查得相应的焊丝送进速度Vc，也可在按焊接工艺选定焊丝送进速度时实测出Vc值。

(3)设定脉冲CO₂焊单位电弧电压变化时的自动调节周期T_λ，

由于CO₂焊弧长自动调节过程是依靠斜特性电源改变焊接电流而调节焊丝熔化速度的热过程，其自动调节周期一般在0.5-1秒范围内就能保持焊接电弧稳定燃烧。

(4)按式4计算外特性斜率K的初值

将以上各步骤确定或设定的值输入(式4)，则可求得脉冲CO₂焊电源外特性斜率的初值。

(5)修正K值

由(式2)可进一步求得脉冲CO₂焊电源峰值电流调节系数K_t，即

K_{t} = K \cdot \frac{T_{o}}{I_{p}}

(式6)

按此K_t初值建立脉冲CO₂焊电弧电压自动调节系统后，根据焊接实验效果可修正K值，使电弧稳定性进一步改善。如，焊接过程中系统自动稳弧速度较慢使弧长波动较大时，就可减小电源外特性斜率K值；又如焊接过程中出现电流振荡现象时，就应增加电源外特性斜率K值，以避免电弧电压自动调节速度过快而引起的振荡问题。

此方法的基本原理是：脉冲熔化极气体保护焊逆变电源以外特性斜率为判据，以峰值电流时间为控制量，通过电弧电压反馈控制峰值电流时间获得可调的斜降伏安特性，在焊接电弧长度变化时自动调节焊接电流与焊丝熔化速度来恢复弧长，使脉冲熔化极气体保护焊过程的电弧电压与弧长自动调节到稳定工作点。此方法可以既保证脉冲气体保护焊逆变电源峰值与基值电流的恒流特性以精确控制电流波形，又使脉冲气体保护焊接电源成为斜特性电源，从而保证在焊接过程中脉冲熔化极气体保护焊逆变电源具有足够强烈的电弧电压自动调节特性。

Claims

1.一种斜特性式脉冲熔化极CO₂气体保护焊自动调节电弧电压的方法，主要通过斜特性式脉冲熔化极CO₂气体保护焊弧长自动调节模型，采用脉冲熔化极CO₂气体保护焊电源的外特性斜率计算法来定量调整其弧长的自动调节强度，来建立斜特性式脉冲熔化极CO₂气体保护焊电源控制系统，以外特性斜率为判据，以峰值电流时间为控制量，通过电弧电压反馈控制峰值电流时间使脉冲焊逆变电源获得可调的斜降伏安特性，在焊接电弧长度变化时自动调节焊接电流与焊丝熔化速度来恢复弧长，使脉冲熔化极CO₂气体保护焊过程的电弧电压与弧长自动调节到稳定工作点，其特征在于：所述脉冲熔化极CO₂气体保护焊电源外特性斜率K值设计原则是在弧长调节周期T_λ内，产生与弧长变化量Δλ_H相当的反方向焊丝末端位移量，使弧长与电弧电压自动回至稳定值；其中，斜率

K = I_{H} \cdot \frac{1}{V_{c} \cdot E_{c} \cdot T_{l}}

式中，I_H为平均焊接电流值，

I_{H} \approx \frac{I_{p} \cdot t_{p} + I_{b} \cdot t_{b}}{t_{p} + t_{b}}

其中，I_p、I_b分别为根据焊接工艺设定的脉冲熔化极CO₂气体保护焊峰值电流与基值电流值；t_p、t_b分别为设定的脉冲熔化极CO₂气体保护焊峰值电流时间与基值电流时间，Vc为送丝速度，可按脉冲熔化极CO₂气体保护焊的平均焊接电流值IH在脉冲熔化极CO₂气体保护焊熔化特性曲线中查得相应的焊丝送进速度V_C，也可在按焊接工艺选定焊丝送进速度时实测出V_C值，Ec为电弧弧柱电场强度，T_λ为单位电弧电压变化时的自动调节周期，在0.5-1秒范围内就能保持焊接电弧稳定燃烧，修正K值可得式中，T_o为脉冲熔化极CO₂气体保护焊脉冲周期，按此K_t初值建立脉冲熔化极CO₂气体保护焊电弧电压自动调节系统后，根据焊接实验效果可修正斜率K值，使电弧稳定性进一步改善。

2.根据权利要求1所述的斜特性式脉冲熔化极CO₂气体保护焊自动调节电弧电压的方法，其特征在于：弧长自动调节模型是通过对焊丝熔化速度的闭环控制，脉冲熔化极CO₂气体保护焊机的输出电流能随焊接电弧电压(Uh)变化而自动调节，当电弧电压(Uh)变大时，电弧电流I_h就自动减小，从而使电弧能量减小，焊丝熔化速度降低，在送丝速度为等速不变的情况下，焊丝末端向熔池移动，自动减小电弧长度与电弧电压(Uh)；当电弧电压(Uh)变小时，电弧电流I_h就自动增大，从而使电弧能量增大，焊丝熔化速度变大，自动增加弧长与电弧电压(Uh)；自动调节过程在脉冲熔化极CO₂气体保护焊过程中不断进行，使焊接电弧长度与焊接电弧电压(Uh)在稳定工作点达到动态平衡。