CN103028815B

CN103028815B - 一种耦合电弧的弧长调节系统及其控制方法

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Publication number: CN103028815B
Application number: CN201210499779.7A
Authority: CN
Inventors: 黄鹏飞; 韩国良; 卢振洋; 白韶军
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2032-11-29
Also published as: CN103028815A

Abstract

一种新型耦合电弧的弧长调节系统及其控制方法，属于焊接方法设备及自动化领域。两个电弧采用独立电源控制，MAG焊使用恒流源，焊丝和母材之间形成电弧，电弧对焊丝和母材进行加热，采用自由过渡的熔滴过渡形式；TIG焊中电极和母材之间形成电弧，电弧对焊丝辅助加热。在焊接过程中，对焊丝和母材之间的电弧进行实时检测和反馈，当MAG焊弧长减小，弧压减小，焊丝长度增加时，提高TIG电源焊接电流，增加熔敷金属量；当MAG焊弧长增大，弧压增大，焊丝长度减小时，降低TIG电源焊接电流，减小熔敷金属量。本发明通过调节TIG电源的能量输出来调节熔敷金属量的大小，来调节弧长的波动。MAG电源采用恒流源代替恒压源，可实现母材热输入的恒定，提高了焊接稳定性和焊接质量。

Description

一种耦合电弧的弧长调节系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种耦合电弧的弧长调节系统及其控制方法，属于焊接方法设备及自动化领域。

技术背景

随着国家工业化的大幅度发展，焊接技术在国家建设过程中发挥了不可忽视的作用。在航空航天、机械工程、交通运输、海洋工程等方面，焊接已经占据了举足轻重的地位。所以现代化制造业对焊接技术的各个方面均进行了广泛的、高效的研究，力求在技术的改进和提高方面做出更有意义的贡献。

熔化极气体保护焊中对弧长的调节是焊接方面一个长期研究的方向，已有研究结果证明，MAG焊接系统中电源具有弧长自我调节功能，当弧长变短时，电源会自动增加电流，来增加熔化的焊丝，以恢复原来弧长；当弧长变长时，电源会自动减小电流，减小熔化的焊丝，以恢复原来弧长。但是，这种调节方式比较单一，而且母材的热输入会随着弧长的自我调节有所波动，影响焊接的稳定性。为了解决该问题，我们参考了国内外很多焊接工作者提出的耦合电弧的焊接法，对辅助电弧的作用做了详细的分析。例如，美国肯塔基大学的张裕明老师为了对常规的熔化极气体保护电弧焊进行高效化改进，提出一种新型的电弧焊工艺DE-GMAW，该焊接工艺方法将一个GTAW焊枪与一个GMAW焊枪相组合，GMAW焊枪与工件构成主路，GTAW焊枪构成旁路，使用一个电源进行控制输出。流经焊丝的焊接电流在电弧弧柱区分为两部分，一是旁路电流，二是施加到母材的电流。增大焊接电流时，作用于焊丝上的电流数值较高有利于提高焊丝的熔化速度，从而提高熔敷率来提高焊接速度，而旁路分流的作用又能保证母材的热输入不至于过高，维持在一个比较理想的水平。但该方法的MAG焊部分使用的弧长调节系统是由MAG电源实现的，控制方法比较单一，母材热输入也会因弧长的自我调节过程有所波动的，所以寻求一种新型的弧长控制方法，并保证母材更稳定的热输入成为了一个新的研究方向。

发明内容

针对高效化焊接的发展趋势和需要解决的问题，本发明的目的在于改变了MAG和TIG耦合电弧焊接时采用MAG焊的自身弧长调节系统的传统方法，通过调节TIG电源的能量输出来调节熔敷金属量的大小，来调节弧长的波动。同时MAG电源采用恒流源代替了原始的恒压源，该恒流源可实现母材热输入的恒定，提高了焊接稳定性和焊接质量。两种焊接方法使用两个独立电源，对电流、电压采样信息进行反馈控制，通过测量焊丝和母材之间的弧压来判断弧长的变化，将弧压的变化值反馈到TIG电源，TIG电源再对弧长变化做出调整和控制。

本发明的设计思想为：MAG焊接采用恒流源，主要实现对焊丝和母材的加热，并采用直流反接的接线方式来实现自由过渡，保证母材热输入的稳定性；

本发明采用如下技术方案：

一种耦合电弧的弧长调节系统，包括：TIG焊接系统1、MAG焊接系统2、前面板输入及显示3、送丝系统4和电弧能量输出5。

TIG焊接系统1主电路包括整流滤波电路1.1、逆变电路1.2、中频变压器1.3、二次整流电路1.4、电流莱姆1.5、电压莱姆1.6、高频引弧1.7和高压稳弧1.8。三相输入380V交流电接整流滤波电路1.1，然后按顺序串联逆变电路1.2、中频变压器1.3、二次整流电路1.4三个部分，二次整流电路1.4两端分别接MAG焊枪5.1和TIG焊枪5.2，电流莱姆1.5和高频引弧1.7串联在二次整流电路1.4和TIG焊枪5.2之间，电压莱姆1.6和高压稳弧1.8并联在MAG焊枪5.1和TIG焊枪5.2之间。其中的控制电路包括核心部分和驱动执行部分。核心控制部分包括DSP系统1.9、电流采样及滤波1.10、电压采样及滤波1.11以及保护电路1.12。DSP系统1.9与MAG焊接部分的MAG单片机2.7相连，形成通信，并连接电流采样及滤波1.10、电压采样及滤波1.11和保护电路1.12，接受他们传递的信号，与逆变驱动电路1.13、高频引弧驱动电路1.14和高压稳弧驱动电路1.15相连，给予它们驱动信号。电流采样及滤波1.10和电压采样及滤波1.11的一端与DSP系统1.9相连，另一端分别与主电路中的电流莱姆1.5和电压莱姆1.6相连。驱动部分包括逆变驱动电路1.13、高频引弧驱动电路1.14、高压稳弧驱动电路1.15。逆变驱动电路1.13与逆变电路1.2相连，传递信号给保护电路1.12，并接收来自DSP系统1.9的驱动信号，高频引弧驱动电路1.14和高压稳弧驱动电路1.15分别于DSP系统1.9相连，并分别驱动高频引弧1.7和高压稳弧1.8。

MAG焊接系统2主电路包括整流滤波电路2.1、逆变电路2.2、中频变压器2.3、二次整流电路2.4、电流莱姆2.5、电压莱姆2.6。三相输入380V交流电接整流滤波电路2.1，然后按顺序串联逆变电路2.2、中频变压器2.3、二次整流电路2.4三个部分，二次整流电路2.4两端分别接MAG焊枪5.1和母材5.3，电流莱姆2.5串联在二次整流电路2.4和MAG焊枪5.1之间，电压莱姆2.6并联在MAG焊枪5.1和母材5.3之间。其中的控制电路包括核心部分和驱动执行部分。核心控制部分包括MAG单片机2.7、电流采样及滤波2.8、电压采样及滤波2.9以及保护电路2.10。MAG单片机2.7与TIG焊接部分的DSP系统1.9相连，形成通信，并连接电流采样及滤波2.8、电压采样及滤波2.9和保护电路2.10，接受他们传递的信号，与逆变驱动电路2.10相连，给予驱动信号。电流采样及滤波2.8和电压采样及滤波2.9的一端与MAG单片机2.7相连，另一端分别与主电路中的电流莱姆2.5和电压莱姆2.6相连。驱动部分包括逆变驱动电路2.11。逆变驱动电路2.11与逆变电路2.2相连，传递信号给保护电路2.10，并接收来自MAG单片机2.7的驱动信号。

前面板输入及显示3包括焊接参数给定3.1和焊接参数显示3.2。焊接参数给定3.1和焊接参数显示3.2均与MAG焊接系统2中的MAG单片机2.7相连，进行显示和送丝信号与MAG单片机2.7的信号传递。

送丝系统4包括焊枪开关4.1、送丝给定4.2、气阀4.3和送丝机调速电路4.4。MAG焊接系统2中的MAG单片机2.7通过光电隔离4.5与焊枪开关4.1、送丝给定4.2和气阀4.3相连，焊枪开关4.1、送丝给定4.2和气阀4.3通过送丝机调速电路.4与MAG焊中送丝轮相连。

电弧能量输出5包括MAG焊枪5.1、TIG焊枪5.2和母材5.3。其中TIG电极与MAG焊丝之间的距离为2-6mm，TIG电极与母材之间的距离为3-7mm，MAG焊丝与母材之间的距离为18-25mm。

所述弧长调节系统的控制方法如下：MAG焊和TIG焊分别采用独立电源，两个电源之间形成通信，MAG焊使用恒流源，焊丝和母材之间形成电弧，采用自由过渡的熔滴过渡形式，可保证母材热输入的恒定；TIG焊中，电极和焊丝形成电弧，两个电弧组成耦合电弧。在焊接过程中，对焊丝和母材之间的电弧进行实时检测和反馈，当MAG焊弧长减小，弧压减小△U₁，焊丝长度增加时，提高TIG电源焊接电流△I₁，增加熔敷金属量，实现减小焊丝长度，增大弧长的目的，其中△I₁＝k_p△U₁+k_a∑△U_i，k_p，k_a为常数，20≤k_p≤100，0.05≤k_a≤0.5，△I₁为TIG焊电流增大量，△U₁为MAG焊弧压减小量，-2V≤△U₁≤2V，△U_i为第i次MAG焊弧压减小量，i取正整数；当MAG焊弧长增大，弧压增大△U₂，焊丝长度减小时，降低TIG电源焊接电流△I₂，减小熔敷金属量，实现增大焊丝长度，减小弧长的目的，其中△I₂＝k_p△U₂+k_a∑△U_j，k_p，k_a为常数，20≤k_p≤100，0.05≤k_a≤0.5，△I₂为TIG焊电流减小量，△U₂为MAG焊弧压增大量，-2V≤△U₂≤2V，△U_j为第j次MAG焊弧压增大量，j取正整数。

本发明对比已有技术具有以下创新点：

1、MAG焊和TIG焊组成的耦合电弧焊接过程中，MAG焊的自身弧长调节功能由TIG电源控制能量输出来代替，开拓了弧长调节系统控制方法的新领域。

2、该方法中MAG电源由恒压源变成恒流源，保证了母材热输入具有更高的稳定性。

附图说明

图1焊接系统结构组成图；

图2能量输出部分的示意图；

图1中：1、TIG焊接系统，2、MAG焊接系统，3、前面板输入及显示，4、送丝系统，5、电弧能量输出。

TIG焊接系统1中：

1.1、整流滤波电路，1.2、逆变电路，1.3、中频变压器，1.4、二次整流电路，1.5、电流莱姆，1.6、电压莱姆，1.7、高频引弧，1.8、高压稳弧，1.9、DSP系统，1.10、电流采样及滤波，1.11、电压采样及滤波，1.12、保护电路，1.13、逆变驱动电路，1.14、高频引弧驱动电路，1.15、高压稳弧驱动电路。

MAG焊接系统2中：

2.1、整流滤波电路，2.2、逆变电路，2.3、中频变压器，2.4、二次整流电路，2.5、电流莱姆，2.6、电压莱姆，2.7、MAG单片机，2.8、电流采样及滤波，2.9、电压采样及滤波，2.10、保护电路，2.11、逆变驱动电路。

前面板输入及显示3中：

3.1、焊接参数给定，3.2、焊接参数显示。

送丝系统4中：

4.1、焊枪开关，4.2、送丝给定，4.3、气阀，4.4、送丝机调速电路。

电弧能量输出5中：

5.1、MAG焊枪，5.2、TIG焊枪，5.3、母材。

具体实施方式

现结合附图对本发明的实施方式进行实例说明。如图1所示为本实例实施的总体系统框图。

TIG焊的主电路由三相输入380V交流电首先经过输入整流部分1.1进行整流滤波后，变为高压直流。然后此直流电经过逆变电路1.2进行逆变，再经过中频变压器1.3的降压隔离后变为20KHz的交流电，随后经过二次整流1.4部分进行整流滤波，变为焊接所用的大电流低电压的直流电，供给焊接功率输出。

由于TIG焊接需要高频电压的引弧过程，以及在MAG焊接过程中，短路阶段和燃弧阶段的切换容易使得TIG电弧熄灭，所以该方法在系统中加入了高频引弧1.7和高压稳弧1.8模块。

MAG焊的主电路由三相输入380V交流电首先经过输入整流部分2.1进行整流滤波后，变为高压直流。然后此直流电经过逆变电路2.2进行逆变，再经过中频变压器2.3的降压隔离后变为20KHz的交流电，随后经过二次整流部分2.4进行整流滤波，变为焊接所用的大电流低电压的直流电，供给焊接功率输出。

TIG焊接的控制部分主要包括四个部分：其一是产生驱动信号，这包括逆变驱动电路1.13的驱动、高频引弧驱动1.14信号和高压稳弧驱动1.15信号；其二是将接受到来自逆变的保护信号通过保护电路1.12传递给DSP系统1.9，以产生保护动作，即关断相应的PWM驱动输出；其三是接收电流采样及滤波1.10和电压采样及滤波的信号1.11以获得实时的焊接电流和电压值。电流采样及滤波采回焊接过程中的实际电流If用于PI控制，实时调整电流偏差，实现闭环控制。电压采样及滤波采回焊接过程中的实际电压Uf用于整个阶段的电压控制；其四是来自MAG焊电源中DSP的信号，以完成两个DSP的协同控制。TIG焊的控制部分主要完成外部信号的响应，并经过软件处理、计算和转换后与MAG焊中的DSP协同对系统进行控制，完成预定的焊接目的。

MAG焊接的控制部分主要包括六个部分：其一是产生驱动信号，这包括逆变驱动电路2.11的驱动；其二是将接受到来自逆变的保护信号通过保护电路2.10传递给MAG单片机2.7，以产生保护动作，即关断相应的PWM驱动输出；其三是接收电流采样及滤波2.8和电压采样及滤波2.9的信号以获得实时的焊接电流和电压值。电流采样及滤波采回焊接过程中的实际电流If用于PI控制，实时调整电流偏差，实现闭环控制。电压采样及滤波采回焊接过程中的实际电压Uf用于整个阶段的电压控制；其四是来自TIG焊电源中DSP的信号，以完成两个DSP的协同控制；其五是通过DSP获得的来自前面板输入及显示部分的焊接参数预置，获得焊接初始参数；其六是通过DSP获得的来自送丝部分的焊枪开关4.1的信号。MAG焊的控制部分主要完成焊接参数输入和外部信号的响应，并经过软件处理、计算和转换后与TIG焊中的DSP协同对系统进行控制，完成预定的焊接目的。

前面板输入及显示部分为外围设备控制及执行部分。焊接参数给定3.1对核心控制部分输入，实现焊接参数的设定，并通过焊接参数显示3.2进行显示，使其能实时显示焊接电流和电压。

送丝系统接受来源于焊枪开关4.1的信号和部分输入，决定送丝给定4.2和气阀4.3的数值和状态。

图2所示为能量输出部分的示意图，箭头所指为电流流向方向，TIG电极与MAG焊丝之间的距离为2-6mm，TIG电极与母材之间的距离为3-7mm，焊丝与母材之间的距离为18-25mm。在耦合电弧的焊接过程中，对焊丝和母材之间的电弧进行实时检测和反馈，当MAG焊弧长减小，弧压减小△U₁，焊丝长度增加时，提高TIG电源焊接电流△I₁，(其中△I₁＝k_p△U₁+k_a∑△U_i，k_p，k_a为常数，20≤k_p≤100，0.05≤k_a≤0.5，△I₁为TIG焊电流增大量，△U₁为MAG焊弧压减小量，-2V≤△U₁≤2V，△U_i为第i次MAG焊弧压减小量，i取正整数)，增加熔敷金属量，实现减小焊丝长度，增大弧长的目的；当MAG焊弧长增大，弧压增大△U₂，焊丝长度减小时，降低TIG电源焊接电流△I₂，(其中△I₂＝k_p△U₂+k_a∑△U_j，k_p，k_a为常数，20≤k_p≤100，0.05≤k_a≤0.5，△I₂为TIG焊电流减小量，△U₂为MAG焊弧压增大量，-2V≤△U₂≤2V，△U_j为第j次MAG焊弧压增大量，j取正整数)，减小熔敷金属量，实现增大焊丝长度，减小弧长目的。

Claims

1.一种耦合电弧的弧长调节系统，其特征在于：其包括TIG焊接系统(1)、MAG焊接系统(2)、前面板输入及显示(3)、送丝系统(4)和电弧能量输出(5)；

TIG焊接系统(1)主电路包括整流滤波电路(1.1)、逆变电路(1.2)、中频变压器(1.3)、二次整流电路(1.4)、电流莱姆(1.5)、电压莱姆(1.6)、高频引弧(1.7)和高压稳弧(1.8)；三相输入380V交流电接整流滤波电路(1.1)，然后按顺序串联逆变电路(1.2)、中频变压器(1.3)、二次整流电路(1.4)三个部分，二次整流电路(1.4)两端分别接MAG焊枪(5.1)和TIG焊枪(5.2)，电流莱姆(1.5)和高频引弧(1.7)串联在二次整流电路(1.4)和TIG焊枪(5.2)之间，电压莱姆(1.6)和高压稳弧(1.8)并联在MAG焊枪(5.1)和TIG焊枪(5.2)之间；弧长调节系统的控制电路包括核心部分和驱动执行部分；核心部分包括DSP系统(1.9)、电流采样及滤波(1.10)、电压采样及滤波(1.11)以及保护电路(1.12)；DSP系统(1.9)与MAG焊接部分的MAG单片机(2.7)相连，形成通信，并连接电流采样及滤波(1.10)、电压采样及滤波(1.11)和保护电路(1.12)，接受他们传递的信号，与逆变驱动电路(1.13)、高频引弧驱动电路(1.14)和高压稳弧驱动电路(1.15)相连，给予它们驱动信号；电流采样及滤波(1.10)和电压采样及滤波(1.11)的一端与DSP系统(1.9)相连，另一端分别与主电路中的电流莱姆(1.5)和电压莱姆(1.6)相连；驱动执行部分包括逆变驱动电路(1.13)、高频引弧驱动电路(1.14)、高压稳弧驱动电路(1.15)；逆变驱动电路(1.13)与逆变电路(1.2)相连，传递信号给保护电路(1.12)，并接收来自DSP系统(1.9)的驱动信号，高频引弧驱动电路(1.14)和高压稳弧驱动电路(1.15)分别于DSP系统(1.9)相连，并分别驱动高频引弧(1.7)和高压稳弧(1.8)；

MAG焊接系统(2)主电路包括整流滤波电路(2.1)、逆变电路(2.2)、中频变压器(2.3)、二次整流电路(2.4)、电流莱姆(2.5)、电压莱姆(2.6)；三相输入380V交流电接整流滤波电路(2.1)，然后按顺序串联逆变电路(2.2)、中频变压器(2.3)、二次整流电路(2.4)三个部分，二次整流电路(2.4)两端分别接MAG焊枪(5.1)和母材(5.3)，电流莱姆(2.5)串联在二次整流电路(2.4)和MAG焊枪(5.1)之间，电压莱姆(2.6)并联在MAG焊枪(5.1)和母材(5.3)之间；其中的控制电路包括核心部分和驱动执行部分；核心部分包括MAG单片机(2.7)、电流采样及滤波(2.8)、电压采样及滤波(2.9)以及保护电路(2.10)；MAG单片机(2.7)与TIG焊接部分的DSP系统(1.9)相连，形成通信，并连接电流采样及滤波(2.8)、电压采样及滤波(2.9)和保护电路(2.10)，接受他们传递的信号，与逆变驱动电路(2.11)相连，给予驱动信号；电流采样及滤波(2.8)和电压采样及滤波(2.9)的一端与MAG单片机(2.7)相连，另一端分别与主电路中的电流莱姆(2.5)和电压莱姆(2.6)相连；驱动执行部分包括逆变驱动电路(2.11)；逆变驱动电路(2.11)与逆变电路(2.2)相连，传递信号给保护电路(2.10)，并接收来自MAG单片机(2.7)的驱动信号；

前面板输入及显示(3)包括焊接参数给定(3.1)和焊接参数显示(3.2)；焊接参数给定(3.1)和焊接参数显示(3.2)均与MAG焊接系统(2)中的MAG单片机(2.7)相连，进行显示和送丝信号与MAG单片机(2.7)的信号传递；

送丝系统(4)包括焊枪开关(4.1)、送丝给定(4.2)、气阀(4.3)和送丝机调速电路(4.4)；MAG焊接系统(2)中MAG单片机(2.7)通过光电隔离(4.5)与焊枪开关(4.1)、送丝给定(4.2)和气阀(4.3)相连，焊枪开关(4.1)、送丝给定(4.2)和气阀(4.3)通过送丝机调速电路(4.4)与MAG焊中送丝轮相连；

电弧能量输出(5)包括MAG焊枪(5.1)、TIG焊枪(5.2)和母材(5.3)；其中TIG焊枪(5.2)中的TIG电极与MAG焊丝之间的距离为2-6mm，TIG电极与母材(5.3)之间的距离为3-7mm，MAG焊枪(5.1)中的焊丝与母材(5.3)之间的距离为18-25mm。

2.采用权利要求1所述弧长调节系统进行控制的方法，其特征在于：MAG焊和TIG焊分别采用独立电源，两个电源之间形成通信，MAG焊使用恒流源，焊丝和母材之间形成电弧，采用自由过渡的熔滴过渡形式，可保证母材热输入的恒定；TIG焊中，电极和焊丝形成电弧，两个电弧组成耦合电弧；在焊接过程中，对焊丝和母材之间的电弧进行实时检测和反馈，当MAG焊弧长减小，弧压减小△U₁，焊丝长度增加时，提高TIG电源焊接电流△I₁，增加熔敷金属量，实现减小焊丝长度，增大弧长的目的，其中△I₁＝k_p△U₁+k_a∑△U_i，k_p，k_a为常数，20≤k_p≤100，0.05≤k_a≤0.5，△I₁为TIG焊电流增大量，△U₁为MAG焊弧压减小量，-2V≤△U₁≤2V，△U_i为第i次MAG焊弧压减小量，i取正整数；当MAG焊弧长增大，弧压增大△U₂，焊丝长度减小时，降低TIG电源焊接电流△I₂，减小熔敷金属量，实现增大焊丝长度，减小弧长的目的，其中△I₂＝k_p△U₂+k_a∑△U_j，k_p，k_a为常数，20≤k_p≤100，0.05≤k_a≤0.5，△I₂为TIG焊电流减小量，△U₂为MAG焊弧压增大量，-2V≤△U₂≤2V，△U_j为第j次MAG焊弧压增大量，j取正整数。