CN102873435A

CN102873435A - 一种熔化极气体保护焊方法及系统

Info

Publication number: CN102873435A
Application number: CN2012103622939A
Authority: CN
Inventors: 黄鹏飞; 卢振洋; 张永刚; 白韶军
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2032-09-25
Also published as: CN102873435B

Abstract

一种熔化极气体保护焊方法及系统，属于熔化极气体保护焊控制领域。采用等速送丝，其送丝速度范围为1.5m/min-18m/min，焊接电源输出脉冲电流，其中脉冲电流的平均值在焊接开始前根据送丝速度预先设定并在焊接过程中保持不变；在焊接前给定电弧电压Ug，焊接过程中实时采样电弧电压的反馈值Uf，令ΔI=|k（Uf-Ug）|，其中ΔI为调整电流，k为比例系数，取值在10-100之间；当电弧电压反馈值Uf增大时，脉冲电流峰值Ip减去ΔI，基值电流Ib加上ΔI，以维持电弧电压的稳定；当电弧电压反馈值Uf减小时，调节过程相反。本发明通过高频的脉冲电流，使电流的平均值与有效值之间出现显著差异，从而在使母材热输入基本不变的前提下，改变焊丝的受热，调整焊丝的熔化速度，实现弧长的调节。

Description

一种熔化极气体保护焊方法及系统

技术领域

本发明属于熔化极气体保护焊控制领域，具体指不同于传统的熔化极气体保护焊技术其电源输出外特性为恒流特性的保护焊系统。

技术背景

焊接在工业领域中有着重要的地位，只有在焊接过程中维持电弧的稳定燃烧，才能得到高质量的焊缝。中薄板的焊接大多采用细丝焊，细丝焊中主要分为脉冲焊和短路过渡两种控制方法，脉冲焊中的弧长调节经常采用SINERGIC控制法与压频转换的方法；短路过渡中弧长调节经常采用波形控制法。

SINERGIC控制法通过预先设定的关系曲线，由送丝速度确定焊接参数。在焊接过程中，通过测量送丝速度实时调整焊接参数。然而这种方法是对弧长的开环控制，可以对因送丝速度产生的弧长变化进行补偿，但对其他原因产生的弧长变化没有调节作用。在压频转换的弧长调节过程中，当弧长变短时，控制系统检测到电弧电压变小，经过计算，增大脉冲频率，平均电流增大，熔化速度变快，直至电弧恢复到原来的长度，以维持弧长稳定。

而在短路过渡焊接中采用的波形控制法，是针对焊接过程中的不同阶段，采用合适的波形控制，当弧长变短时，调整波控参数，平均电流也随之增大，实现对弧长的自动调节。无论是压频转换方法还是波形控制法在宏观上都是采用等速送丝配合平特性电源，利用电源为恒压特性时电弧具有的自身调节作用，达到控制弧长稳定的效果。如果弧长偏离稳定工作点，焊接电流会相应的调整，焊丝的熔化速度改变，使弧长恢复。传统平特性电源的弧长调节过程依靠电弧总能量调节实现，不可避免的会产生能量的波动。

发明内容

为了保证在电源对母材的热输入基本保持不变的前提下控制弧长，避免母材能量的输入出现较大的波动，本发明提出了一种熔化极气体保护焊方法及系统。

本发明采用如下技术方案：

一种熔化极气体保护焊方法，采用等速送丝，其送丝速度范围为1.5m/min-18m/min，焊接电源输出脉冲电流，其中脉冲电流的平均值在焊接开始前根据送丝速度预先设定并在焊接过程中保持不变（参见表1,表中未列的送丝速度由插值法确定其焊接电流），脉冲电流平均值范围为80A-350A，频率范围为500Hz-15KHz；在焊接前给定电弧电压Ug，焊接过程中实时采样电弧电压的反馈值Uf，令ΔI=|k（Uf-Ug）|,其中ΔI为调整电流，k为比例系数，取值在10-100之间；当电弧电压反馈值Uf增大时，脉冲电流峰值Ip减去ΔI，基值电流Ib加上ΔI，即在保持电流平均值不变的条件下，调节脉冲电流的峰峰值，减小其有效值，从而减小焊丝的熔化速度，实现电弧电压的稳定；当电弧电压反馈值Uf减小时，脉冲电流Ip加上ΔI，基值电流Ib减去ΔI，增大焊丝的熔化速度，实现电弧电压的稳定。

表1送丝速度与焊接电流关系

注：表中送丝速度单位为m/min;电流单位为A；丝径单位为mm.

一种熔化极气体保护焊系统，包括并联的BUCK电路A和BUCK电路B，所述的BUCK电路A和BUCK电路B共地，开关管Q3的漏极与源极接在BUCK电路B的输出端，二极管D3的阴极接在BUCK电路A输出端的正极，二极管D3的阳极接在BUCK电路B输出端的正极，用于焊接的工件接在BUCK电路A的正极与地之间。BUCK电路A包括开关管Q1、电感L1、二极管D1；BUCK电路B包括开关管Q2、电感L2、二极管D2；BUCK电路B输出端的正极后面连接二极管D4的阳极，其阴极与地之间接有电容C1。所述的电容C1的容值大约为47μF到220μF之间且在其两端预施加一电压值。所述的电感L1、L2的电感值为20μH到100μH之间。当开关管Q3关断后，由于电感L2的电感值较大，当在开关管Q3的源极与漏极之间的电压大于C1的预施加电压时，二极管D4导通，对电容C1进行充电，避免因漏源电压过大而使开关管Q3击穿的现象发生。

所述的每个BUCK电路中开关管Q1、Q2的工作频率在50KHz以上，采用PWM(pluse width modulation)控制技术，控制开关管Q1、Q2的导通和关断，使两个BUCK各形成一个恒流源。

恒压源1接在上述的两个BUCK回路的输入端；基值电流驱动电路2、幅值电流驱动电路3、回路切换驱动电路4分别接在DSP控制系统8与开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3之间，控制开关管Q1、Q2、Q3的导通与关断；基值电流采样及滤波电路5、幅值电流采样及滤波电路6分别接在DSP控制系统8与电流采样器LEM1、LEM2之间；电压采样电路及滤波7接在DSP控制系统8与电压采样器LEM3之间；LEM1、LEM2分别连在所述的两个BUCK电路上进行采样，LEM3连接在BUCK电路A的输出端；人机界面9与DSP控制系统相连；送丝调速电路10的一端与DSP控制系统8相连，另一端与电机11相连，控制焊丝的送进。在焊接过程中由LEM1、LEM2对所述的两个BUCK电路进行电流采样，实时监测两个回路的电流值；LEM3对电弧电压进行采样，从而提取弧长信号。LEM1、LEM2的电流检测结果，LEM3的电压检测结果与送丝电机转速的检测结果均送到DSP控制系统8，通过DSP控制系统8的计算，控制Q1、Q2、Q3的开通与关断和焊丝的送进，实现稳定的焊接。

当开关管Q3导通时，BUCK电路B自形成一个回路，BUCK电路A输出一恒定的电流，作为脉冲电流的基值加在焊丝与工件上。当开关管Q3关断时，由于电感L2的电感值较大，电流维持原来的方向不变，BUCK电路B的电流通过二极管D3叠加到BUCK电路A上，所述两个BUCK电路的电流相加作为脉冲电流的峰值加在焊丝与工件上。

本发明具有的有益效果：

在焊接过程中采用等速送丝，当电弧弧长受到扰动时，在保持电流平均值不变的前提下调整其有效值，由于电流平均值恒定，保护气体、焊接材料及焊丝直径未发生变化，所以阴极压降与阳极压降则基本不变，阳极斑点与阴极斑点产热变化不大，由于有效值发生了显著变化，母材的导电面积大，电阻小，电阻热对母材熔化所做的贡献较小且变化不大，但焊丝直径较小，电阻值大，电阻热的变化对焊丝熔化速度将起到显著作用，进而实现对电弧弧长的调节。此项专利通过对高频脉冲电流进行调制，使电流的平均值和有效值之间出现显著的差异，并解耦电流对焊丝和母材加热的不同作用，当弧长发生波动在改变焊丝熔化速度时，使电源对母材的热输入基本保持不变，突破弧长调节的传统方式。

为了实现高频脉冲电流，本发明采用双BUCK主回路并联的方式，相比单路的BUCK回路，它并不是通过开关管的开通与关断调整占空比，输出脉冲电流的。而是BUCK电路A、BUCK电路B各为一个恒流源，其中BUCK电路A为常输出回路，输出脉冲电流的基值，当BUCK电路B的输出与此回路的输出叠加时，输出脉冲电流的峰值，通过两个回路导通形式的切换，快速的实现脉冲电流基值与峰值之间的转变，可以实现大电流的高频脉冲，使系统的响应时间大大减小。

本发明通过高频的脉冲电流，使电流的平均值与有效值之间出现显著差异，从而在使母材热输入基本不变的前提下，改变焊丝的受热，调整焊丝的熔化速度，实现弧长的调节。突破了传统的弧长调节方法，在弧长调节过程中只改变焊丝的受热，有效地抑制了此过程中母材热输入的波动，使焊接过程更加稳定，其作用对于薄板焊接的效果更佳显著。

附图说明

图1主电路原理图

图2系统总体框图

图3电流输出波形图

图1中（A）——BUCK电路A，（B）——BUCK电路B，Q1-Q3——开关管，D1-D4——二极管，L1、L2——电感器,C1——电容器。

图2中Q1-Q3——开关管，LEM1、LEM2——电流采样器，LEM3——电压采样器，（1）——恒压源，（2）——基值电流驱动电路，（3）——幅值电流驱动电路，（4）——回路切换驱动电路，（5）——基值电流采样及滤波，（6）——幅值电流采样及滤波，（7）——电压采样及滤波，（8）——DSP控制系统，（9）——人机界面，（10）——送丝调速电路，（11）——电机。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明：

如图1所示为本发明的主电路原理图。BUCK电路A包括开关管Q1、电感L1、二极管D1；BUCK电路B包括开关管Q2、电感L2、二极管D2；当开关管Q3导通时，BUCK电路B自形成一个回路，BUCK电路A输出一恒定的电流，作为脉冲电流的基值加在焊丝和工件上。当开关管Q3关断时，由于电感L2的电感值较大，电流维持原来的方向不变，BUCK电路B的电流通过二极管D3叠加到BUCK电路A上，所述两个BUCK电路的电流相加作为脉冲电流的峰值加在焊丝与工件上。因基值与峰值电流之间的切换不是通过调整占空比实现的，而是通过二极管的导通直接实现的，所以系统的响应时间大大缩短，可以输出高频率的大电流，其脉冲电流的输出频率可以达到10KHz，可以保证当弧长受到干扰时，系统快速的做出反应，相比于主电路为逆变电路或单路的BUCK主电路，调节速度更快。

二极管D4的阳极接在BUCK电路B输出端的正极，阴极接电容C1其容值较大，电容C1另一端接地，由于焊接中不可避免出现断弧的现象，回路断开，而电感L2的电感量较大，那么当开关管Q3关断，脉冲处于峰值阶段时，会在开关管Q3的两端感应出高电压而击毁开关管Q3，所以在BUCK电路B输出端的正极后面连接一个二极管D4和容值较大的电容C1，并在电容两端预先加有一个电压值，当出现断弧现象，开关管Q3漏源电压大于此电压时，二极管D4导通，对电容C1进行充电，避免因断弧而使元器件烧毁的现象出现。

如图2所示为本发明的系统框图，恒压源1接在两个BUCK回路的输入端；基值电流驱动电路2、幅值电路驱动电路3、回路切换驱动电路4分别接在DSP控制系统8与各自所驱动的开关管之间，控制开关管的导通与关断；基值电流采样及滤波5、幅值电流采样及滤波6分别接在DSP控制系统8与电流采样器LEM1、LEM2之间；电压采样电路及滤波7接在DSP控制系统8与电压采样器LEM3之间；人机界面9与DSP控制系统相连；送丝调速电路10的一端与DSP控制系统8相连，另一端与电机11相连，控制焊丝的送进。在焊接过程中由LEM1、LEM2对所在电路进行电流采样，实时监测两个回路的电流值；LEM3对电弧电压进行采样，从而提取弧长信号。LEM1、LEM2的电流检测结果，LEM3的电压检测结果与送丝电机转速的检测结果均送到DSP控制系统8，通过控制系统的计算，控制Q1、Q2、Q3的开通与关断和焊丝的送进，实现稳定的焊接。

在焊接过程中，采用等速送丝，其送丝速度范围为1.5m/min-18m/min，焊接电源输出脉冲电流，其中脉冲电流的平均值在焊接开始前根据送丝速度预先设定并在焊接过程中保持不变，脉冲电流平均值范围为80A-350A，频率范围为500Hz-15KHz；在焊接前给定电弧电压Ug，焊接过程中实时采样电弧电压的反馈值Uf，令ΔI=|k（Uf-Ug）|,其中ΔI为调整电流，k为比例系数，取值在10-100之间；当电弧电压反馈值Uf增大时，脉冲电流峰值Ip减去ΔI，基值电流Ib加上ΔI，即在保持电流平均值不变的条件下，调节脉冲电流的峰峰值，减小其有效值，从而减小焊丝的熔化速度，实现电弧电压的稳定；当电弧电压反馈值Uf减小时，脉冲电流Ip加上ΔI，基值电流Ib减去ΔI，增大焊丝的熔化速度，实现电弧电压的稳定。

在焊接中施加高频脉冲电流，它可以使电源的平均值和有效值有明显的差异。电流脉冲的幅值越大，则其有效值和平均值的差异越大。那么在保持脉动电流平均值不变的前提下，通过调整脉冲电流的峰峰值并配合等速送丝，就可以保证母材的热输入基本不变，但因有效值发生了改变，所以焊丝的熔化速度产生了明显变化。具体实施方式如图3所示，其为电源输出脉动电流的波形图，在稳定的焊接时，电源输出一合适峰峰值的脉冲电流，当电弧受到干扰而导致弧压增大时，则减小峰峰值降低电流的有效值，焊丝电阻产热减小，使焊丝的熔化速度变慢，弧压变回到原来的数值。反之亦然。此项发明通过调节电阻热改变送丝速度，所以焊丝应选用小直径。如选用直径为1.2mm的焊丝，可以使脉冲电流的基值降到维弧的最小电流60A,峰值可以达到350A。如选用直径为1.0mm的焊丝，脉冲电流的峰峰值范围为50A-250A，如选用直径为0.8mm的焊丝，脉冲电流的峰峰值范围为40A-150A。由于系统的动态响应性能好，经过几十个脉冲周期的调节，大约为10ms的时间，即可快速的将弧长调回成稳定值。

Claims

1.一种熔化极气体保护焊方法，其特征在于：采用等速送丝，其送丝速度范围为1.5m/min-18m/min，焊接电源输出脉冲电流，其中脉冲电流的平均值在焊接开始前根据送丝速度预先设定并在焊接过程中保持不变，脉冲电流平均值范围为80A-350A，频率范围为500Hz-15KHz；在焊接前给定电弧电压Ug，焊接过程中实时采样电弧电压的反馈值Uf，令ΔI=|k（Uf-Ug）|,其中ΔI为调整电流，k为比例系数，取值在10-100之间；当电弧电压反馈值Uf增大时，脉冲电流峰值Ip减去ΔI，基值电流Ib加上ΔI，即在保持电流平均值不变的条件下，调节脉冲电流的峰峰值，减小其有效值，从而减小焊丝的熔化速度，实现电弧电压的稳定；当电弧电压反馈值Uf减小时，脉冲电流Ip加上ΔI，基值电流Ib减去ΔI，增大焊丝的熔化速度，实现电弧电压的稳定。

2.用于权利要求1所述的一种熔化极气体保护焊方法的气体保护焊系统，其特征在于：主电路包括并联的BUCK电路A和BUCK电路B，所述的BUCK电路A和BUCK电路B共地，开关管Q3的漏极与源极接在BUCK电路B的输出端，二极管D3的阴极接在BUCK电路A输出端的正极，二极管D3的阳极接在BUCK电路B输出端的正极，用于焊接的工件接在BUCK电路A的正极与地之间；BUCK电路A包括开关管Q1、电感L1、二极管D1；BUCK电路B包括开关管Q2、电感L2、二极管D2；BUCK电路B输出端的正极后面连接二极管D4的阳极，其阴极与地之间接有电容C1；所述的电容C1的容值为47μF到220μF之间且在电容C1两端预施加有一电压值；所述的电感L1、L2的电感值为20μH到100μH之间；BUCK电路A、BUCK电路B各为一个恒流源，控制开关管Q3导通，系统输出脉冲电流的基值，加在焊丝和工件上；控制开关管Q3关断，两个回路的电流相互叠加，系统输出脉冲电流峰值，加在焊丝和工件上；通过两回路导通形式的切换实现电流的高频调制。

3.根据权利要求2所述的一种熔化极气体保护焊系统，其特征在于：当开关管Q3处于关断状态时，Q3漏源两端电压大于电容的预施加电压，则二极管导通，对电容充电，避免因漏源电压过大而使开关管击穿的现象发生。