CN102218581A - 复合型高频脉冲焊接系统及工艺 - Google Patents

Abstract

复合型高频脉冲焊接系统及工艺属于电弧焊接领域。该系统包括焊接电源A，复合脉冲电源B，复合焊枪C，其中焊接电源A选用钨极氩弧焊电源；复合脉冲电源B由复合脉冲电源功率部分B1、高频脉冲发生装置B2和复合脉冲电源控制系统B3三部分构成；B1采用开关电源实现；B2包括全桥拓扑电路、全桥驱动电路、全桥整流电路和电流传感器LEM2；B3包括数字信号处理器、采样处理电路、状态判断电路、保护信号电路和电流传感器LEM3；B1与B2相连，B2与A并联于C两端，同时向C进行功率输出。本发明工作稳定，可实现脉冲幅值在200A范围内，脉冲频率在20-100kHz范围内、占空比在20％-80％任意可调的复合型高频脉冲焊接工艺，有效细化焊缝组织、减少焊缝气孔。

Description

复合型高频脉冲焊接系统及工艺

技术领域

复合型高频脉冲焊接系统及工艺，属于焊接设备及电弧焊接工艺控制领域。

背景技术

钨极氩弧焊(TIG)因其适应性强、焊接质量好等优点被广泛应用于航天、汽车、管道等多个领域。根据被焊材料的不同，TIG焊工艺分为直流TIG焊、交流TIG焊和变极性TIG焊，其中直流TIG焊用于不锈钢、铜等金属的焊接，而交流TIG焊和变极性TIG焊则用于铝合金材料的焊接。由于TIG焊存在电弧效率较低、焊接速度慢以及小电流电弧不稳定等缺点，脉冲TIG焊应运而生。脉冲TIG焊使用的频率范围目前集中在两个区域：一是0.5-10Hz的低频脉冲，用于形成规则的熔池；二是1k-10kHz的高频脉冲，用于提高电弧稳定性和电弧能量。而由于10k-20kHz电弧产生的高频噪声，目前工程中很少被使用。熔池凝固后，最终的力学性能和物理性能与结晶过程中的晶粒大小和组织缺陷密切相关。均匀、细小的等轴晶组织可以提高焊缝的力学性能，而非细小的等轴晶组织及组织的不均匀性则会显著降低焊缝性能。通过异质形核、物理场处理、温度控制等手段可以有效细化晶粒，但由于焊接熔池具有的存留时间短、温度梯度大、电弧温度高等特点，使得多数方法难于应用。在金属或合金凝固过程中辅以振动可以明显改善其结晶组织，并有效提高机械性能。早在1869年，德国Chernov就通过摇晃铸模成功地细化了钢锭的晶粒。但由于早起的振动方式受到设备的限制，频率很低，因此其振动的能量和效果都受到了较大限制，且振动过程不易控制，逐渐被高频的超声振动方式所代替。

近年来研究发现，在焊接过程中通过对焊接熔池施加超声振动可以明显改善焊缝成型和金属结晶组织，目前对熔池施加超声振动主要有两种形式，一是将焊枪固定于机械超声装置上，由超声换能器产生机械振动带动焊枪振动，从而进一步带动电弧振动，但由于超声换能器可调性差，其频率和振幅都已预置，很难配合焊接工艺的需求进一步调整，应用受到较大限制：另一种方式是通过电源输出将电能量施加与电弧中，由于电弧对熔池有力的作用，对电弧施加脉动的电流值同样可以达到振动熔池的效果，这一方案对焊接电源的动特性提出了较高要求，但由于焊接电源作为一种负载状态相当恶劣的电源，有其独特的电路拓扑结构，近年来，随着开关电源技术的迅猛发展，焊接电源的性能得到了迅速提升，但是为了保证在恶劣工况下的稳定性，大多数情况下其逆变工作频率只有几十kHz，因此电源的动特性就受到了一定的限制。在这种情况下，要实现超出人类听觉范围的20kHz以上的高频焊接就对焊接电源提出了更高的要求。此外，传输回路中的电路寄生参数对大功率高频信号的传输具有很大影响，这也成为高频脉冲焊接工艺工业应用的瓶颈之一。

发明内容

本发明提出了一种复合型高频脉冲焊接系统及工艺，采用多电源协同控制的方法实现高频脉冲能量的发生与传输。

本系统的工作流程为，焊接开始前，分别对焊接电源A和复合脉冲电源B进行参数设置，焊接开始后，焊接电源A按照设定参数输出，复合脉冲电源控制系统B3在获取焊接开始信号后，进行延时后启动复合脉冲电源功率部分B1开始工作，同时通过电流传感器LEM3获取焊接电源A的实时电流输出状态，当焊接电源A的输出电流进入复合脉冲电源B设定复合电流区间时，高频脉冲发生装置B2启动，将复合脉冲电源功率部分B1的输出转化为高频脉冲电流并与焊接电源A进行并联输出。

本发明复合型高频脉冲焊接系统如图1，包括焊接电源A，复合脉冲电源B，复合焊枪三个部分C，其中焊接电源A选用各类钨极氩弧焊(TIG)电源。复合脉冲电源B由复合脉冲电源功率部分B1、高频脉冲发生装置B2和复合脉冲电源控制系统B3三部分构成。复合脉冲电源功率部分B1采用开关电源实现，包括一次整流电路、滤波电路、逆变电路、逆变驱动电路、中频变压器、二次整流电路、滤波电感L、滤波电容C1、电流传感器LEM1和电压传感器LEM；高频脉冲发生装置B2包括滤波电容C2、由Q1、Q2、Q3、Q4组成的全桥拓扑电路、全桥驱动电路、全桥整流电路和电流传感器LEM2；复合脉冲电源控制系统B3包括数字信号处理器、采样处理电路、状态判断电路、保护信号电路和电流传感器LEM3。电流传感器LEM1、电流传感器LEM2、电流传感器LEM3和电压传感器LEM均与采样处理电路相连，电流传感器LEM1、电流传感器LEM2还与保护信号电路相连，电流传感器LEM3还与状态判断电路相连。

复合脉冲电源功率部分B1与高频脉冲发生装置B2相连，高频脉冲发生装置B2与焊接电源A并联于复合焊枪C两端，同时向复合焊枪C进行功率输出。焊接电源A独立进行功率输出；复合脉冲电源功率部分B1进行恒压外特性输出，高频脉冲发生装置B2中的全桥拓扑电路首先将复合脉冲电源功率部分B1的恒定功率输出转换成占空比为20％-80％的交流脉冲高频能量，再进行全桥整流得到高频直流脉冲信号，直接与焊接电源A的输出进行复合。

复合型高频脉冲焊接系统的控制方法的按以下步骤实现的：复合型高频脉冲焊接系统的起停采用焊接电源A的焊枪开关信号，焊接开始前，需对焊接电源A和复合脉冲电源B进行分别设置。根据被焊材料的特征，焊接电源A的工艺参数有焊接波形、焊接电流、起/收弧电流、起/收弧时间；复合脉冲电源B需设置的工艺参数有脉冲频率、占空比、脉冲电流幅值及复合脉冲能量的电流区间，其中复合脉冲能量的电流区间为焊接电源A所设定焊接电流值80％以上的电流。焊接开始后，焊接电源A按预先设定的焊接工艺参数输出，复合脉冲电源控制系统B3采集到焊接开始信号后，数字信号处理器进行延时后向逆变驱动电路输出驱动信号，启动高频脉冲功率电源B1，并将电压传感器LEM的反馈信号经采样处理电路滤波放大后送入数字信号处理器的模/数(A/D)转换模块进行采样，然后将采样结果进行比例积分(PI)运算，实现电压闭环控制；同时，通过电流传感器LEM3对焊接电源A的输出电流进行实时检测，状态判断电路会根据预设值判断高频脉冲能量的复合区间并通知数字信号处理器，一旦进入复合区间，数字信号处理器会立即向全桥驱动电路输出驱动波形，启动高频脉冲发生装置B2向焊枪输出高频脉冲能量。保护信号电路分别针对高频脉冲功率电源B1和高频脉冲发生装置B2进行单独保护。电流传感器LEM1对高频脉冲功率电源B1的输出电流进行监测，对焊接过程中有可能产生的短路现象进行反馈保护；高频脉冲发生装置B2的保护电路采用硬件方式对电流脉冲的峰值进限定，电流传感器LEM2实时监控功率开关管Q1-Q4的导通电流，一旦脉冲电流峰值超过设定脉冲电流幅值的120％，数字信号处理器会接收到保护信号电路的通知，立刻关断本周期的驱动信号保护功率管。

本发明提出的复合型高频脉冲焊接系统针对现有焊接电源动特性无法实现高频脉冲电流输出的限制，在不改变已有商品化电源输出方式和控制模式的基础上，设计了专门用于复合高频脉冲能量的高频脉冲复合电源，选用合适的外特性输出模式，并配合新型拓扑电路设计，摆脱了逆变电源自身工作频率对脉冲电流频率的限制，实现了远高于电源逆变频率的高频脉冲电流输出。高频脉冲复合电源可与任意已有商品化电源进行复合，实现新型高频脉冲焊接工艺过程，整个系统工作稳定，可实现脉冲幅值在200A范围内，脉冲频率在20-100kHz范围内、占空比在20％-80％任意可调的复合型高频脉冲焊接工艺。

附图说明

图1复合型高频脉冲焊接系统总体框图

图2(a)直流高频脉冲焊接电流波形图

图2(b)交流高频脉冲焊接电流波形图

图3复合型高频脉冲焊接过程软件执行流程图

图4(a)未复合高频能量焊缝气孔情况

图4(b)复合高频能量后焊缝气孔情况

图5(a)未复合高频能量晶粒图

图5(b)复合高频能量后晶粒图

具体实施方式

本发明的具体实施方式为：焊接开始前，首先要对焊接电源A和复合脉冲电源B的参数进行分别设置。焊接电源A的参数根据焊接材料、材料厚度、焊缝道数和焊接速度设置，可按照焊接电源A单独使用时的规则确定焊接波形、起/收弧电流和起/收弧时间，而焊接电流在选择直流波形焊接时设置为焊接电源A单独进行焊接时70％的电流值，选择交流波形焊接时设置为焊接电源A单独进行焊接时80％的电流值。在焊接碳钢、不锈钢时，为提高电弧效率并减小钨极烧损，选用直流正极性波形焊接；焊接铝合金时，为有效清除被焊材料的表面氧化膜，选用交流波形焊接，此外，在保证铝合金材料表面氧化膜被有效清理的前提下，会采用交、直流混合波形进行焊接从而提高电弧效率。当材料厚度小于4mm时，一般采用一道焊工艺；材料厚度大于4mm时，采用多道焊工艺。通常情况下，钨极氩弧焊焊接速度为0.1-0.5米/分。复合脉冲电源B的参数包括脉冲电流的频率及占空比、脉冲电流幅值和复合脉冲能量的电流区间。焊接碳钢和不锈钢时，复合脉冲电流的频率范围设置在25kHz至60kHz，占空比为20％-80％，脉冲电流幅值设置为与焊接电源A输出电流值相同；焊接铝合金时，复合脉冲电流的频率范围设置在20kHz至50kHz，占空比40％-60％，脉冲电流幅值为50A-100A。图2(a)为焊接2mm不锈钢时的复合的焊接电流波形，焊接电源A输出50A的直流，设置在50A以上区间进行高频脉冲电流复合，高频脉冲电源B输出的脉冲频率为50kHz，占空比50％，脉冲电流幅值50A。图2(b)为焊接3mm铝合金时的焊接电流波形，焊接电源A设置输出交、直流混合波形，直流期间电流值150A，交流期间正、负极性电流同为100A，复合脉冲电源B设置在正极性100A以上区间进行高频脉冲电流复合，脉冲频率20kHz，占空比50％，脉冲电流幅值100A。

焊接开始后，焊接电源A按预先设定的焊接工艺参数输出。复合脉冲电源控制系统B3中的数字信号处理器采集到焊接开始信号后，进行0.5-3S的延时，延时目的有两个，一是由于TIG焊工艺采用高频高压引弧，此时电压脉冲峰值往往在1000V以上，易造成其他电子器件的损坏，因此要在引弧成功后进行脉冲能量复合；二是要等待焊接电源执行完引弧参数，进入正常焊接参数后再进行复合能量输出。延时后数字信号处理器向逆变驱动电路输出一路PWM驱动信号启动复合脉冲电源功率部分B1，电压传感器LEM的反馈信号经采样处理电路滤波放大后送入数字信号处理器的模/数(A/D)转换模块进行采样，然后将采样结果进行比例积分(PI)运算，调整向复合脉冲电源功率部分B1输出的PWM占空比，进行恒压闭环控制，直到焊接停止信号到来时停止，软件控制流程图如图3所示。复合脉冲电源功率部分B1采用开关电源，逆变电路采用半桥拓扑结构，为保证复合脉冲电源功率部分B1进行恒压外特性输出的精度，本系统开关电源采用20kHz逆变频率。主电路输入电压为三相380V，经一次整流电路及滤波电路后，变为540V直流。此后经逆变电路和中频变压器隔离降压后变为20kHz交流电，后经过二次整流电路、滤波电感和滤波电容后变为低电压大电流的焊接能量。复合脉冲电源功率部分B1启动后，复合脉冲电源控制系统B3通过电流传感器LEM3对焊接电源A的输出电流进行实时检测，状态判断电路会根据预设值判断高频脉冲能量的复合区间并通知数字信号处理器，一旦进入复合电流区间，数字信号处理器会立即向全桥驱动电路输出驱动波形，启动高频脉冲发生装置B2向焊枪输出高频脉冲能量。

高频脉冲发生装置输入端之间并联10000μF以上滤波电容C2，以保证高频脉冲发生装置B2输入端接近理想恒压源。数字信号处理器向全桥驱动电路输出预设占空比的PWM信号，驱动开关管Q1-Q4工作，当一路桥臂Q1和Q4开通时，全桥拓扑电路输出正向电压；当另一路桥臂Q2和Q3开通时，全桥拓扑电路输出反向电压，经全桥整流电路整流后变为幅值为复合脉冲电源功率部分B1输出电压的脉冲能量，直接作用于电弧，相当于在电弧两端施加了复合脉冲电源功率部分B1输出电压，对电弧进行短时间的恒压放电，有效控制输出给全桥驱动电路的PWM占空比便可有效控制复合在电弧上的脉冲频率，脉冲电流的幅值取决于加在电弧两端的电压高低，通过调整高频脉冲功率电源B1的输出电压便可有效调整脉冲电流的幅值。这一方案有效地消除了焊接电源逆变频率对输出电流脉冲频率的限制，使得电源可以输出远高于自身逆变器工作频率的高频脉冲电流。本系统所采用的恒压源控制脉冲电流的方式属于一种半开环的控制模式，由于焊接过程中负载的变化及其剧烈，甚至会有短路情况发生，因此，本系统采用硬件方式限定了电流的脉冲峰值，电流传感器LEM1对高频脉冲功率电源B1的输出电流进行监测，对焊接过程中有可能产生的短路现象进行反馈保护；高频脉冲发生装置B2的保护电路采用硬件方式对电流脉冲的峰值进限定，电流传感器LEM2实时监控功率开关管Q1-Q4的导通电流，一旦脉冲电流峰值超过设定脉冲电流幅值的120％，数字信号处理器会接收到保护信号电路的通知，立刻关断功率管，保护信号会持续一个周期，直到下一周期的驱动信号到来时才消失。

作为本发明核心的复合脉冲电源B是，可与本发明中所述焊接电源A配合工作，也可在不需要复合高频能量时停止工作，并且不对焊接电源A的输出特性和控制方式造成影响。

采用图2(b)所示焊接参数进行焊接后，利用金相显微镜对焊缝区金属组织进行观察发现，在电流有效值相同的前提下，未复合高频脉冲电流时焊缝结晶组织(图4(a))中气孔的数量和尺寸明显高于复合高频脉冲电流后(图4(b))的组织。同时，复合高频脉冲电流后的焊缝金属结晶的晶粒尺寸(图5(b))明显小于未复合高频脉冲电流的情况(图5(a))，根据晶粒度软件评测，未复合高频脉冲电流时，焊缝结晶组织晶粒的平均尺寸为30um；复合高频脉冲电流后，晶粒尺寸下降为25um。

与现有技术相比，本发明所采用的焊接系统和方法主要具备以下特点：

1、作为本发明核心的复合脉冲电源B可与各类焊接电源进行复合，通过采集由电流传感器LEM3的反馈信号进行时序同步，可在指定时段进行高频脉冲能量的复合。

2、由于采用了多电源能量供给的输出模式，有效解决了由于电源自身动特性限制而导致的无法输出大功率高频脉冲能量的问题。

3、本发明采用恒压外特性配合全桥拓扑结构实现了高频脉冲能量的发生，同时降低了产生高频能量过程中对电力器件的要求。采用全桥拓扑结构的优势在于可以有效降低功率开关管的工作频率和产热，当设定100kHz的电流脉冲输出频率时，开关管的工作频率仅为50kHz。

4、对各模块功能进行了优化组合，将涉及高频能量产生和传输的部分进行有效集成及分割，整个系统只有在高频脉冲发生装置B2与复合焊枪C之间才有大功率高频能量的传输，而且高频脉冲发生装置B2的结构简单，体积较小，可以放置在复合焊枪C附近，进一步减少了大功率高频能量的传递路程，上述设计方案有效解决了大功率高频信号的传输中的导线阻抗问题。

5、本发明采用恒压外特性控制，配合全桥拓扑结构解决了“弧-源”系统能量传输与高精度控制问题，获得了具有显著“高频效应”的焊接工艺效果。

6、结合本发明的硬件系统设计了专用于铝合金材料复合型高频焊接工艺，可实现电流脉冲幅值在0-200A范围内可调、脉冲频率在20-100kHz范围内可调、占空比任意可调的复合型高频脉冲焊接工艺。取得了良好的焊接工艺效果。上述工艺对铝合金焊接接头具有明显的优化效果，主要表现在：一方面复合高频脉冲能量后，可有效提高焊接速度，从而提高生产效率；另一方面，高频能量的加入有效改善了焊缝的微观组织，焊缝及熔合线区域的气孔数量及尺寸显著下降，并且结晶组织明显细化，机械性能测试表明，焊接接头性能得到明显提高。

Claims (2)

1.一种复合型高频脉冲焊接系统，其特征在于：包括焊接电源A，复合脉冲电源B，复合焊枪三个部分C，其中焊接电源A选用各类钨极氩弧焊电源；复合脉冲电源B由复合脉冲电源功率部分B1、高频脉冲发生装置B2和复合脉冲电源控制系统B3三部分构成；

复合脉冲电源功率部分B1采用开关电源实现，包括一次整流电路、滤波电路、逆变电路、逆变驱动电路、中频变压器、二次整流电路、滤波电感L、滤波电容C1、电流传感器LEM1和电压传感器LEM；高频脉冲发生装置B2包括滤波电容C2、由Q1、Q2、Q3、Q4组成的全桥拓扑电路、全桥驱动电路、全桥整流电路和电流传感器LEM2；复合脉冲电源控制系统B3包括数字信号处理器、采样处理电路、状态判断电路、保护信号电路和电流传感器LEM3；电流传感器LEM1、电流传感器LEM2、电流传感器LEM3和电压传感器LEM均与采样处理电路相连，电流传感器LEM1、电流传感器LEM2还与保护信号电路相连，电流传感器LEM3还与状态判断电路相连；复合脉冲电源功率部分B1与高频脉冲发生装置B2相连，高频脉冲发生装置B2与焊接电源A并联于复合焊枪C两端，同时向复合焊枪C进行功率输出。

2.应用权利要求1所述复合型高频脉冲焊接系统的控制方法，其特征在于，步骤如下：

复合型高频脉冲焊接系统的起停采用焊接电源A的焊枪开关信号，焊接开始前，需对焊接电源A和复合脉冲电源B进行分别设置；根据被焊材料的特征，焊接电源A的工艺参数有焊接波形、焊接电流、起/收弧电流、起/收弧时间；复合脉冲电源B需设置的工艺参数有脉冲电流频率、占空比、脉冲电流幅值及复合脉冲能量的电流区间，所述的复合脉冲能量的电流区间为焊接电源A所设定焊接电流值80％以上的电流；

焊接开始后，焊接电源A按预先设定的焊接工艺参数输出，复合脉冲电源控制系统B3采集到焊接开始信号后，数字信号处理器进行延时后向逆变驱动电路输出驱动信号，启动高频脉冲功率电源B1，并将电压传感器LEM的反馈信号经采样处理电路滤波放大后送入数字信号处理器的模/数转换模块进行采样，然后将采样结果进行比例积分PI运算，实现电压闭环控制；同时，通过电流传感器LEM3对焊接电源A的输出电流进行实时检测，状态判断电路会根据预设值判断高频脉冲能量的复合区间并通知数字信号处理器，一旦进入复合区间，数字信号处理器会立即向全桥驱动电路输出驱动波形，启动高频脉冲发生装置B2向焊枪输出高频脉冲能量；保护信号电路分别针对高频脉冲功率电源B1和高频脉冲发生装置B2进行单独保护；电流传感器LEM1对高频脉冲功率电源B1的输出电流进行监测，对焊接过程中有可能产生的短路现象进行反馈保护；高频脉冲发生装置B2的保护电路采用硬件方式对电流脉冲的峰值进限定，电流传感器LEM2监测功率开关管Q1-Q4的导通电流，当脉冲电流峰值超过设定脉冲电流幅值的120％，数字信号处理器会接收到保护信号电路的通知，关断本周期的驱动信号保护功率管。

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