CN103128424B

CN103128424B - 单点熔滴过渡热均衡数字智能电弧焊接控制方法

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Publication number: CN103128424B
Application number: CN201310015042.8A
Authority: CN
Inventors: 赵玉林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-01-16
Filing date: 2013-01-16
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2033-01-16
Also published as: CN103128424A

Abstract

本发明提供了一种利用传感测试技术与微型计算机思维控制模式相结合的单点熔滴过渡热均衡数字智能电弧焊接控制方法。该焊接系统将微型计算机智能分析技术引入焊接控制，为实现单点熔滴过渡控制，并将传统物理电抗器改为了数字电子电抗器，以单点熔滴过渡智能控制法为核心，保证输入热能均衡为辅助，实现高效智能思维控制，根据焊接电源的输入输出以及环境条件的不同，对焊接过程中出现的各种问题进行软件综合智能分析再给以最佳控制，实现智能调节单点熔滴的大小与过渡，保证高密度焊接与成形，使飞溅最小，真正实现智能、高效、节能环保等优点。

Description

单点熔滴过渡热均衡数字智能电弧焊接控制方法

本发明涉及一种通过微型计算机智能分析单点熔滴成形过渡状态和电弧状态交替发生来进行焊接的焊接方法和电弧焊接系统，尤其涉及单点熔滴过渡热均衡数字智能电弧焊接控制方法，具体采用智能思维模式控制。

技术背景

常用熔滴过渡焊接方法采用了短路保护控制设计法，一般短路电流在100A左右，大电流焊接时短路电流更大，只能极点输入热的控制，降低飞溅，不能真正意义上做到短路保护，更不能单点熔滴控制。因为电路复杂控制条件固定单一，不能够适应环境温度骤升或骤降等复杂的问题，无法综合性的解决各种焊接过程中出现的问题，只能根据单一或固定信息去控制是否应该短路保护，而且短路保护的电流额度是一个定值，不能实现细微的单点熔滴过渡思维智能控制，更不能控制单点熔滴成形的时间和大小、输入热能的均衡控制、焊接密度控制、焊丝的粘连控制等复杂的焊接参数控制。对焊接工人技术要求条件高，这就在一定程度上浪费了人力资源及消耗了电能。

而且随着工业制造业的迅速发展，对焊接质量要求越来越高。其中，尤其要求焊接时的飞溅减少。虽然，一些国外先进的焊机已经做了减少焊接时飞溅的处理(波形短路控制法)，但是还不能全面精确的控制。在工作过程中，随着引弧开始直到母材形成熔池为止，这段时间内，电流处于迅速上升的趋势，飞溅会增加附着到母材上。并且，焊接完成后要对母材上的飞溅物进行打磨等后期处理，这就在一定程度上增加了人力物力的消耗，使焊接生产率，产品质量和工艺降低。同时，没有好的引弧处理，引弧会产生弧坑，降低了焊接质量，焊接工人技术要求要高，否则焊接时焊条或焊丝容易粘连母板，严重时会发生危险或火灾等缺陷。

此外，一般市场上的常规焊机采用恒压或者恒流控制法。恒压控制的焊接过程中输出电压恒定，随着熔滴过渡的过程，焊丝与母材之间的电阻值会逐渐减小，此时的弧柱电流会增大，直接导致输入热能逐渐增大，这样焊接时会出现焊接熔深先浅后深的现象，焊接熔深出现交替的锯齿形的焊纹，容易造成焊接质量低下。恒流控制的焊接过程中输出电流恒定，随着熔滴过渡的过程，焊丝与母材之间的电阻值会逐渐减小，此时的弧柱电压会减小，直接导致输入热能逐渐减小，这样焊接时会出现焊接熔深先深后浅的现象，焊接熔深出现与恒压控制相反的交替的锯齿形的熔深焊纹，这种输入热能不均衡的现象直接影响着焊接质量，使焊接质量低下。(参考附图5)(参考公式：Q＝P＝UI，U＝IR，)。因此，目前市场上的常规焊机无法达到理想的高精度焊接要求。而且目前世界上较先进的焊机熔滴过渡实施，采用短路波形控制法，不能做到细微的单点熔滴成形过渡和焊接中复杂参数的控制。因此也得不到更高的焊接质量。由此，微型计算机(CPU)智能思维模式控制下的单点熔滴过渡热均衡数字智能电弧焊接控制方法应运而生。

本发明加入了CPU智能思维控制模式，解决了常规电焊机对熔滴过渡和输入热能不均衡的难题，同时也解决了常规电焊机无法实现单点熔滴过渡、均衡输入热能、弧坑、焊接粘连等现象，根据焊接条件智能控制单点熔滴过渡成形时间和大小，对焊接输入热有了一个精确的控制，减少了焊接夹渣与飞溅现象，使焊接密度更高、成形更好，也使焊接质量和工艺达到一个更高的水平。

发明内容

本发明单点熔滴过渡热均衡数字智能电弧焊接控制方法采用了计算机智能思维技术，以软件控制法为核心，可根据电源输入输出，环境条件和焊接参数的不同将单点熔滴过渡时间长短大小、输入热、熔深、弧宽、穿透力、引弧、收弧、短路控制等焊接参数信号送往CPU进行综合智能分析再给以最佳控制，充分保证焊接应力与表面质量。

根据焊丝直径的不同和给定电流的不同，随着焊接熔滴过渡的进行，熔滴的大小、成形过渡短路时间以及弧柱的电流、电压等参数的不同变化，由微型计算机(CPU)进行智能分析判断后再进行软件的设置和计算输出适应条件需求的最佳控制。本发明提供的是一种实时检测熔滴过渡的方法，当检测到第一个熔滴成形后，输出电流迅速降低，取消了继续熔滴过渡的条件，也就不会发生其它形式的熔滴过渡，使电弧在低电流下燃烧一定时间后，再控制电流上升到焊接电流以上，创造下一次熔滴过渡的条件，如此周而复始，即可得到稳定的单点熔滴过渡。为了单点熔滴过渡热均衡数字智能电弧焊接控制方法的实现，将传统大的物理电抗器改为数字电子电抗器，解决了熔滴过渡控制时的续流和限流现象。利用软件设置多条件选择，这一控制的性能实现了精确的单点熔滴大小与成形和输入热能均衡的控制，决定了其焊接飞溅的大小和焊缝成形的好坏，对于不同的焊丝直径和焊接工艺区间，产生不同的最佳输出。

本发明通过智能化思维模式控制(CPU)，实现了单点熔滴过渡热均衡式焊接，使焊接质量大幅度提高，解决了常规熔滴过渡焊接方法和逆变焊机电子电路复杂、元器件温度漂移和控制条件有限、无法实现单点熔滴过渡式焊接和多条件多环境的细微输出处理的现象，改善了传统的焊接方法和方式，实现了电弧焊理想的焊接方法。使其焊接质量和焊接密度更高、更节能、更方便，实现了单机单模式向单机多模式多功能多特性方向的发展。

最大程度解决了焊接飞溅、输入热能均衡、焊接密度、焊接动特性和平稳度等问题。电源的输入和输出的细微变化有了一个智能思维的分析过程和控制，使焊接质量大幅度提高，是目前世界焊机界稳定性和焊接质量理想的电源。

总体上讲，数字智能化控制优越于数值模拟控制主要表现在灵活性好、稳定性好、控制精度高、可实现单机多模式多功能多特性控制、接口兼容性好等几个方面。

附图说明

附图1是单点熔滴过渡热均衡数字智能电弧焊机结构图；

附图2是本发明的原理流程图；

附图3是单相和三相交流电输入高压变频功率电路；

附图4是智能处理器(STC12C5A60S2)电路图，P2.0P2.1P2.2为键盘输入端口，P1.1P1.2P1.4P1.5P1.6P1.7为传感器输入端口，CCP0P1.3端为控制脉冲输出端口；

附图5是电焊机恒压、恒流控制下焊接输入热能的侧面透视熔深效果图；

附图6是单点熔滴过渡热均衡数字智能电弧焊接控制方法的均衡输入热能侧面透视熔深效果图。

如图1所示，本发明提供的单点熔滴过渡热均衡数字智能电弧焊接控制方法，由送气部分、电路部分、送丝部分三部分组成。电路由三部分组成：智能分析电路、驱动电路和高压变频电路。

智能分析电路包括：输入电压传感器、输出电压传感器、温度传感器、瞬时电流传感器、输出电流传感器、送丝速度控制器、显示器、键盘、输出输入端口和智能处理器(CPU)组成。

智能分析电路，以智能处理器STC12C5A60S2(单片机)和程序为核心部分，显示器和按键部分组成人机对话窗口，智能处理器通过不同传感器将高压变频电路中不同电路的工作情况巡回检测与键盘输入给定的参数，经智能处理器数字处理后调用相应程序产生输出控制信号(送丝机速度、功率控制)。控制驱动电路，驱动逆变器的开关元件经高频变压器进行高频变频输出。单点熔滴过渡热均衡数字智能电弧焊控制系统基本调用程序有：引弧、收弧、正常焊接、单点熔滴过渡控制、温度保护、短路保护、过压过流保护和待机等常用程序。一般程序的调用条件是：根据原理图附图2

a.当输出电流I_P＞I_PS(最小引弧电流)、输出电压V_P＜V_PS(最大引弧电压)与V_P＞V_PSS(最小引弧电压)时智能处理器调用引弧程序产生引弧控制脉冲；

b.当I_P＞I_PS与V_P＜V_psh与此同时V_P＞V_PSS时智能处理器调用正常焊接程序产生正常焊接控制脉冲；

c.当I_P＞I_PS与V_P＞V_psh时智能处理器调用收弧程序产生收弧控制脉冲，否则进入待机或保护状态；(V_psh＝V_psz(常规焊接电压)*κ_P(焊接系数))；

d.引弧、收弧和正常焊接程序根据焊接条件的要求以及环境和条件的不同各有不同；

e.当温度T_W＞T_WS(规定上限温度)时，智能处理器将输出报警信号同时关闭系统进行保护；

f.当输入电压V_S≥V_SS(输入规定上限电压)或者V_S≤V_SX(输入规定下限电压)智能处理器将输出报警信号同时关闭系统进行保护；

g.当电流瞬时值I_S＞I_SS(瞬时上限电流)智能处理器将自动关断开关管的输入脉冲进行开关管的保护。

另外辅助焊接程序有：辅助技术智能分析程序：在焊接中可帮助人们自动分析工人的焊接技术和质量，自动选择和更换最佳的给定参数；辅助电子电抗器程序：有了电子电抗器程序可将物理的电抗器省去，使焊机节约了成本，降低了重量，实现了单点熔点熔滴过渡控制；延时焊接程序：可实现工件的点焊或工件的对接焊；脉冲焊接程序：可实现更好的薄板焊接或特殊焊接，等不同辅助程序能帮助人们实现更多的优良焊接工艺。因此随着软件技术不断的提高数字智能电焊机也可不断的升级，改变了传统焊机单机固定模式的控制，而使焊机实现单机多模式，向着数字智能思维化方向发展。

高压变频电路又包括：交流电输入、输入整流、逆变器(开关元件和高频变压器组成)、输出整流器、电抗器(本系统采用电子电抗器)和电弧电路组成。

高压变频电路，是通过单相或三相交流电输入，经输入整流器整流变为高压直流电，再经逆变器变频而输出。逆变器又有智能处理器输出的控制信号控制驱动电路，驱动电路驱动逆变器的开关电路，开关电路经高频变压器(TC)变压而输出，输出后若再次整流本焊机为直流单点熔滴过渡热均衡数字智能电弧焊机，若不再整流为数字智能高频交流电弧焊机。(驱动电路图略参考附图2和附图3)

Vs经输入电压传感器、Is经瞬时电流传感器、Vp经输出电压传感器、Ip经输出电流传感器，分别由智能处理器STC12C5A60S2(单片机)的P1.1，P1.2，P1.4，P1.5脚接入，温度Tw1，Tw2，Tw3，分别经不同传感器由智能处理器STC12C5A60S2(单片机)的P1.6，P1.7和P1.0脚接入；输出控制信号由P1.3脚输出去驱动电路，P2.0，P2.1，P2.2脚接键盘供给定值输入；送丝速度信号由P0口输出至送丝速度控制器的D/A输入口。(参考附图2和附图4)

单点熔滴过渡热均衡数字智能电弧焊接控制方法的熔滴成形过程中，基本控制程序工作条件如下：

当输出电流I_P＞I_C(熔滴成形电流)，I_P＜I_CMAX(熔滴成形峰值电流)与输出电压V_P≤V_C(熔滴成形电压)时，智能处理器分析熔滴成形；当满足上述条件时，智能处理器调用熔滴成形程序进行迅速输出电流调节控制。当V_C≤V_P＜V_CMAX(给定熔滴燃弧最大电压)与I_P＜I_g(给定电流值)时表示熔滴进入熔池与焊丝脱离，将调用二次燃弧程序进入第二单点熔滴成形过渡，如此周而复始，即可得到稳定的单点熔滴过渡。I_C、V_C、V_CMAX值是随着焊丝直径、给定电流、环境参数等不同由CPU智能计算分析处理而选择。((峰值电流系数)，d为焊丝直径)。

输入热能的智能控制，单点熔滴过渡热均衡数字智能电弧焊接控制方法：

单点均衡输入热能的控制方式根据Q＝P_P，P_P＝P_S≈V_C*I_C，(P_S为给定输入功率，P_P为输出功率)智能调节输出电流I_C，保证输入热能均衡处理。(参考附图6)

附图5所示，分别表示常规电焊机恒压和恒流条件下，输入热能不恒定时焊接效果图。

Claims

1.一种单点熔滴过渡热均衡数字智能电弧焊接控制方法，是由数字智能思维化模式控制系统来控制的，所述控制方法包括：对单点熔滴成形过渡电流、电压进行控制，由智能处理器对输入的信号进行智能综合分析而输出；

其中在熔滴成形过程中，基本控制程序工作条件如下：

a.当输出电流I_P＞熔滴成形电流I_C，I_P＜熔滴成形峰值电流I_CMAX，与输出电压V_p≤熔滴成形电压V_c时，智能处理器分析熔滴成形；当满足上述条件时，智能处理器调用熔滴成形程序进行迅速输出电流调节控制；

当V_C≤V_P＜V_CMAX与I_P＜I_g时，表示熔滴进入熔池与焊丝脱离，智能处理器调用二次燃弧程序再次熔滴成形过渡，如此周而复始，即可得到稳定的单点熔滴过渡，这里V_CMAX是给定熔滴燃弧最大电压，I_g是给定电流值。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其中所述控制系统由电流传感器和电压传感器检测系统组成，其特征在于：按焊接要求给定设定值，将所述电流传感器和电压传感器检测系统检测到的信号经智能处理器分析后自动输出电流、电压控制，实现电弧焊接。

3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其中所述控制系统实现均衡输入热能的智能控制，焊接时所述控制系统的工作过程如下：由给定值得到输入功率P_S，根据公式Q＝P_P，P_P＝P_S≈V_C*I_C以及智能调节熔滴成形电流I_C，以保证焊接输入热能均衡，其中P_P为输出功率、P_S为给定输入功率、V_c为熔滴成形电压、Q为单位时间内加热热量。

4.根据权利要求1所述的控制方法，还包括：保护控制步骤，使焊机不被损坏，从而延长焊机的寿命；其中该保护控制步骤由保护系统实现，所述保护系统为温度传感器、电压传感器和电流传感器检测系统组成，在焊机工作时，将温度、电压和电流检测值分别经传感器进入智能处理器进行数字智能分析，以进行保护控制。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其中所述保护系统由多种传感器检测系统组成，其特征在于：

a.当温度T_W＞规定上限温度T_WS时，智能处理器将输出报警信号同时关闭系统进行保护；

b.当输入电压V_S≥输入规定上限电压V_SS或者V_S≤输入规定下限电压V_SX，智能处理器将输出报警信号同时关闭系统进行保护；

c.当电流瞬时值I_S＞瞬时上限电流I_SS，智能处理器将自动关断开关管的输入脉冲进行开关管的保护。

6.根据权利要求4所述的控制方法，其中所述智能处理器采用STC12C5A60S2单片机，该单片机能够及时发现焊接过程中出现的问题和纠正主变压器偏磁。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其中所述单片机对于输入输出关系以及工作时间关系进行数字化控制：当输出电流I_P＞最大偏磁电流I_SP且输出电流工作时间T_S＞最大偏磁时间T_SP时，所述单片机进入偏磁保护程序进行偏磁保护。

8.根据权利要求2所述的控制方法，其中：

a.当输出电流I_P＞最小引弧电流I_PS与输出电压V_P＜最大引弧电压V_Ps与V_P＞最小引弧电压V_PSS时，智能处理器进入引弧程序产生引弧控制脉冲；

b.I_P＞I_PS与V_P＜V_PSh与此同时V_P＞V_PSS时，智能处理器进入正常焊接程序产生正常焊接控制脉冲；

c.当I_P＞I_PS与V_P＜V_PSh时，进入收弧程序产生收弧控制脉冲，否则进入待机或保护状态；

这里，V_psh＝V_psz*κ_P，V_psz是常规焊接电压，κ_P是焊接系数。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其中焊接是通过作为消耗电极的焊接焊丝与被焊接物之间反复使用电弧状态和短路状态来进行的，焊接焊丝速度v_s＝I_P*K_I，K_I是送丝速度控制系数。