CN103324224B - 一种基于分叉复合电弧焊接的电弧能量调节装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分叉复合电弧焊接的电弧能量调节装置及方法，属于焊接设备领域，该调节装置主要包括：四个功率开关，两个电感，系统控制电路，反馈电路和驱动电路和四个输出电极，具体连接方式为：由四个功率开关组成的两个半桥并联于电源的正端和负端之间，两个半桥的中点分别串联一个电感后作为两个分叉电极输出，电源的正负作为另外两个电极输出，本发明为两电极输入四电极输出焊接装置，公共端分别选择正极或负极时，对应作为阳极分叉或阴极分叉装置。通过调节开关管的开关频率和占空比，满足不同分叉电弧能量匹配的焊接工艺需求。

Description

一种基于分叉复合电弧焊接的电弧能量调节装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于分叉复合电弧焊接的电弧能量调节装置，属于焊接设备领域。

背景技术

焊接作为一种重要的材料加工和制造技术，已经渗透到制造业的各个领域。提高焊接生产效率和焊接质量，减少焊接缺陷的高效焊接方法成为现代焊接界的研究热点。近年来，国内外很多学者对高效焊接工艺开展了大量的研究工作，高效高速焊接领域显示出独特的活力，其中，各种形式的电弧复合焊接方法异军突起，如激光电弧复合、Super-MIG、DE-GMAW、Arcing-Wire等。

激光电弧复合焊接方法将激光和弧焊的优势互补，电弧过程稳定，熔深大，焊接速度快，对接头间隙不敏感，达到1+1>2的效果。Super-MIG是将两种成熟的标准焊接工艺---等离子弧焊和熔化极惰性气体保护焊整合在一起的复合热源焊接技术，其热量集中，熔深增加，大幅度提高了焊速（比MIG快2倍以上）。DE-GMAW和Arcing-Wire作为分叉电弧的两种特例，其中，DE-GMAW为阳极分叉电弧焊接，Arcing-Wire为阴极分叉电弧焊接。DE-GMAW将GMAW作为主弧，通过GTAW作为旁路分流主弧上的电流，保证焊丝熔化效率，减小母材的热输入。Arcing-Wire将GTAW作为主弧来保证熔深，通过GMAW作为旁路电弧调节金属填充量。两者都将焊接过程中的传热和传质解耦，实现了复合电弧的自由焊接。

这些复合焊接工艺在其特定的领域发挥其优势：增大熔深、提高焊速、减小热输入等。但是其焊接电源仅仅是两个或多个电源的组合，设备庞大且控制相对复杂，因此在一定程度上限制了复合电弧的应用和进一步发展。未来的焊接平台应以智能化、通用化、绿色化为发展趋势，开发一种能够精确调节各电弧的能量分配的复合电源迫在眉睫。

发明内容

本发明克服了现有复合焊接工艺系统的电源系统的缺陷，设计了一种调节分叉复合电弧焊接不同分支电弧能量的装置。本发明以数字化技术来控制两个分叉电弧的能量分配：通过选择开关管的开关组别可以实现阴极分叉电弧焊接和阳极分叉电弧焊接；通过调节开关管的开通关断频率来调节两个分叉电极的工作频率；通过调节开关管的占空比大小来调节两个分叉电极的能量大小。

本发明使用一个分叉复合电弧焊接的能量调节机构，实现了复合分叉电弧的焊接电源需求。具体方案如下：

本发明涉及的基于分叉复合电弧焊接的电弧能量调节装置主要包括：四个功率开关、两个电感、系统控制电路、反馈电路、驱动电路、输入电源和四个输出电极，其中：所述的四个输出电极分别为第一输出电极A，第二输出电极B，第三输出电极C和第四输出电极D，其中第一输出电极A和第四输出电极D分别为公共阳极和公共阴极，第二输出电极B和第三输出电极C分别为第一分叉电极和第二分叉电极；

输入电源1为直流恒定电流电源或直流恒定电压电源，具有正端P和负端N，正端P和公共阳极直接相连，负端N和公共阴极相连；

四个功率开关分别为第一功率开关V1，第二功率开关V2，第三功率开关V3和第四功率开关V4，每个功率开关的两端均并联一个二极管，并与其形成回路，功率开关通过接收控制信号来开通或关断，二极管是反向续流二极管，使功率开关产生的高电动势在回路以续电流方式消耗，保护功率开关不被损坏；

四个功率开关组成两个半桥，第一功率开关V1和第二功率开关V2组成第一半桥6-1，第三功率开关V3和第四功率开关V4组成第二半桥6-2，两个半桥分别并联于输入电源1的正端P和负端N之间，第一功率开关V1的输入端与输入电源1的正端P相连，第一功率开关V1的输出端与第二功率开关V2的输入端相连，第二功率开关V2的输出端与输入电源1的负端N相连；第三功率开关V3的输入端与输入电源1的正端P相连，第三功率开关V3的输出端与第四功率开关V4的输入端相连，第四功率开关V4的输出端与输入电源1的负端N相连；

两个电感分别为第一电感7-1和第二电感7-2，第一电感7-1的一端与第一半桥6-1的中点相连，另一端穿过第一电流检测元件8-1后，与第一分叉电极相连；第二电感7-2一端与第二半桥6-2的中点相连，另一端穿过第二电流检测元件8-2后，与第二分叉电极相连，第一电流检测元件8-1检测第一分叉电极流过的电流I1，第二电流检测元件8-2检测第二分叉电极流过的电流I2，I1和I2的和即为公共阳极或公共阴极流过的总电流，并通过电流反馈电路4反馈给系统控制电路2；

公共阳极，公共阴极，第一分叉电极，第二分叉电极与电压反馈电路5相连，电压反馈电路5与系统控制电路2相连；电压反馈电路5接收公共阳极与第一分叉电极之间的电压U1、两分叉电极之间的电压U2和公共阴极与第二分叉电极之间的电压U3；电压U1与电压U2的电压之和为阳极分叉装置10-1工作时的总电压，电压U2与电压U3的电压之和为阴极分叉装置10-2工作时的总电压，电压反馈电路5将电压U1、U2、U3反馈给系统控制电路2；

电流反馈电路4、电压反馈电路5分别系统控制电路2相连；

系统控制电路2通过驱动电路3分别与四个功率开关的驱动端相连，驱动电路接收系统控制电路发出的控制信号，经放大后控制四个功率开关的开通或关断。

本发明具有以下优点：

1、设备整体控制简单，降低了复合焊接电源及其控制方法的复杂性和难度；

2、两个分叉电极上的能量分配精确可控，能够实现各种复杂的复合焊接工艺；

3、应用范围广泛：既可以作为阳极分叉电源装置，亦可以作为阴极分叉电源装置。通过灵活调节分叉电极上的能量分配，可实现薄板的高速焊接，亦可实现厚板的高熔敷率的高效焊接，应用前景广泛。

附图说明

附图1为基于分叉复合电弧焊接的电弧能量调节装置的机构框图；

附图2为作为阳极分叉时的电弧能量调节装置的机构框图；

附图3为作为阴极分叉时的电弧能量调节装置的机构框图。

图中：1、输入电源，2、系统控制电路，3、驱动电路，4、电流反馈电路，5、电压反馈电路，6-1、第一半桥，6-2、第二半桥，7-1、第一电感，7-2、第二电感，8-1、第一电流检测元件，8-2、第二电流检测元件，9-1、工件，9-2、熔化极焊枪，9-3、非熔化极焊枪，V1、第一功率开关，V2、第二功率开关，V3、第三功率开关，V4、第四功率开关，D1、第一二极管，D2、第二二极管，D3、第三二极管，D4、第四二极管,P、输入电源的正端，N、输入电源的负端，A、公共阳极，B、第一分叉电极，C、第二分叉电极，D、公共阴极。

具体实施方式

附图1是为本发明基于分叉复合电弧焊接的电弧能量调节装置的机构框图，包括输入电源1，四个功率开关（V1，V2，V3，V4）和四个二极管（D1、D2、D3、D4）组成的两个半桥（6-1，6-2），两个电感（7-1，7-2），系统控制电路（2），电流反馈电路（4），电压反馈电路（5），驱动电路（3）和四个输出电极（A，B，C，D）；

输入电源1为直流恒定电流电源或直流恒定电压电源，具有正端（P）和负端（N），正端（P）和公共阳极（A）直接相连，负端（N）和公共阴极（D）相连；

四个功率开关（V1，V2，V3，V4）组成两个半桥（6-1，6-2），分别并联于输入电源（1）的正端（P）和负端（N）之间；

两个电感（7-1，7-2），其中第一电感（7-1）的一端与第一半桥（6-1）的中点相连，另一端与第一分叉电极（B）相连；第二电感（7-2）一端与第二半桥（6-2）的中点相连，另一端与第二分叉电极（C）相连；

四个输出电极（A，B，C，D）分别与熔化极焊枪（9-2），非熔化极焊枪（9-3）和工件（9-1）相连，本发明作为阳极分叉装置时，熔化极焊枪（9-2）作为主弧与公共阳极（A）相连，非熔化极焊枪（9-3）和工件（9-1）作为分叉电极分别与第一分叉电极（B）和第二分叉电极（C）相连；本发明作为阴极分叉装置时，非熔化极焊枪（9-3）作为主弧与公共阴极（D）相连，熔化极焊枪（9-2）和工件（9-1）作为分叉电极分别与第二分叉电极（C）和第一分叉电极（B）相连；

在第一电感（7-1）与第一分叉电极（B）之间有第一电流检测元件（8-1），在第二电感（7-2）与第二分叉电极（C）之间有第二电流检测元件（8-2），分别测得第一分叉电极（B）和第二分叉电极（C）流过的电流I1，I2，并通过电流反馈电路（4）反馈给系统控制电路（2）；

公共阳极（A），公共阴极（D），第一分叉电极（B），第二分叉电极（C）与电压反馈电路（5）相连，电压反馈电路（5）与系统控制电路（2）相连，并将相应电压反馈给系统控制电路（2）；

电流反馈电路（4）、电压反馈电路（5）分别系统控制电路（2）相连；

系统控制电路（4）通过驱动电路（3）分别与四个功率开关（V1，V2，V3，V4）的驱动端相连，驱动电路（3）接收系统控制电路（2）发出的控制信号，经放大后控制四个功率开关（V1，V2，V3，V4）的开通或关断，从而控制两个分叉电极（B，C）的能量输出。

本发明作为阳极分叉装置时的工作顺序为：输入电源（1）的正端（P）经公共阳极（A）输出，接熔化极焊枪（9-2），封锁第一、第三功率开关（V1，V3）的驱动信号，开通第二功率开关（V2）的驱动信号，电流通过非熔化极焊枪（9-3）经功率开关（V2）流入输入电源负端（N），开通第四功率开关（V4）的驱动信号，电流通过工件（9-1）经功率开关（V4）流入输入电源负端（N），分别控制开通第二、第四功率开关（V2，V4）的驱动信号，则电弧在熔化极焊枪（9-2）与非熔化极焊枪（9-3）和工件（9-1）之间起弧。

当第二功率开关（V2）从开通状态到关闭状态时，存储在电感（7-1）上的能量从并联在第一功率开关（V1）上的二极管（D1）流向公共阳极（A），与第一分叉电极（B）形成回路消耗能量，同时能够稳定熔化极焊枪（9-2）与非熔化极焊枪（9-3）的电弧燃烧，防止断弧；当第四功率开关（V4）从开通状态到关闭状态时，存储在电感（7-2）上的能量从并联在第三功率开关（V3）上的二极管（D3）流向公共阳极（A），与第二分叉电极（C）形成回路消耗能量，同时能够稳定熔化极焊枪（9-2）与工件（9-1）的电弧燃烧，防止断弧。

通过控制第二、第四功率开关（V2，V4）的频率和占空比，可以精确控制两个分叉电极（B，C）和非熔化极焊枪（9-3）、工件（9-1）的能量分配，实现不同阳极分叉焊接工艺。

本发明作为阴极分叉装置时的工作顺序为：封锁第二、第四功率开关（V2，V4）的驱动信号，开通第一功率开关（V1）的驱动信号，同时封锁第三功率开关（V3）的驱动信号，输入电源（1）的正端（P）经第一功率开关（V1）连接第一分叉电极（B）后接工件（9-1），与非熔化极焊枪（9-3）引燃电弧后，电流流入输入电源（1）的负端（N）；开通第三功率开关（V3）的驱动信号，同时封锁第一功率开关（V1）的驱动信号，输入电源（1）的正端（P）经功率开关（V3）连接第二分叉电极（C）后接熔化极焊枪（9-2），与非熔化极焊枪（9-3）引燃电弧后，电流流入输入电源（1）的负端（N）。分别控制开通第一、第三功率开关（V1，V3）的驱动信号，则电弧在非熔化极焊枪（9-3）与熔化极焊枪（9-2）和工件（9-1）之间起弧。

当第一功率开关（V1）从开通状态到关闭状态时，存储在电感（7-1）上的能量经第一分叉电极（B）、公共阴极（D）后，与并联在第二功率开关（V2）上的二极管（D2）形成回路消耗能量，同时能够稳定工件（9-1）与非熔化极焊枪（9-3）的电弧燃烧，防止断弧；当第三功率开关（V3）从开通状态到关闭状态时，存储在电感（7-2）上的能量经第二分叉电极（C）、公共阴极（D）后，与并联在第四功率开关（V4）上的二极管（D4）形成回路消耗能量,同时能够稳定熔化极焊枪（9-2）与非熔化极焊枪（9-3）的电弧燃烧，防止断弧。

通过控制第一、第三功率开关（V1，V3）的频率和占空比，可以精确控制两个分叉电极（B，C）熔化极焊枪（9-2）和工件（9-1）的能量分配，实现不同阴极分叉焊接工艺。

附图2为作为阳极分叉时的电弧能量调节装置的机构框图。驱动电路波形由系统控制电路（2）发出控制信号给驱动电路（3），由驱动电路（3）分别发出四路驱动信号控制四个功率开关（V1，V2，V3，V4）的开通和关断，满足不同焊接工艺需求。本发明作为阳极分叉装置具体过程为：

首先封锁第一、第三功率开关（V1，V3）的驱动信号，发送低电平驱动信号给第一、第三功率开关（V1，V3），关断第一、第三功率开关（V1，V3）通道。然后发送驱动信号给第二、第四功率开关（V2，V4），开通和关断第二、第四功率开关（V2，V4），因此形成的电流回路为：输出电源（1）的正端（P）---熔化极焊枪（9-2）---非熔化极焊枪（9-3）或工件（9-1）---电感（7-1或7-2）---第二或第四功率开关（V2或V4）---输出电源（1）的负端（N）。通过系统控制电路（2）控制驱动电路（3）调节第二、第四功率开关（V2，V4）驱动波形的频率，则可控制两个分叉电极（B，C）的切换频率，最终控制熔化极焊枪（9-2）与非熔化极焊枪（9-3）和工件（9-1）之间燃弧的切换频率。

当第二功率开关（V2）从开通状态到关闭状态时，存储在电感（7-1）上的能量从二极管（D1）流向公共阳极（A），与第一分叉电极（B）形成回路消耗能量，同时能够稳定熔化极焊枪（9-2）与非熔化极焊枪（9-3）的电弧燃烧，防止断弧；当第四功率开关（V4）从开通状态到关闭状态时，存储在电感（7-2）上的能量从二极管（D3）流向公共阳极（A），与第二分叉电极（C）形成回路消耗能量，同时能够稳定熔化极焊枪（9-2）与工件（9-1）的电弧燃烧，防止断弧。

通过系统控制电路（2）控制驱动电路（3）调节第二、第四功率开关（V2，V4）驱动波形的占空比，则可控制两个分叉电极（B，C）在一个燃弧周期内的工作时间，最终控制熔化极焊枪（9-2）分配给非熔化极焊枪（9-3）和工件（9-1）之间电弧能量，满足不同工艺需求。

附图3为作为阴极分叉时的电弧能量调节装置的机构框图。驱动电路波形由系统控制电路（2）发出控制信号给驱动电路（3），由驱动电路（3）分别发出四路驱动信号控制四个功率开关（V1，V2，V3，V4）的开通和关断，满足不同焊接工艺需求。本发明作为阴极分叉装置具体过程为：

首先判断本装置为阴极分叉电弧能量调节装置，封锁第二、第四功率开关（V2，V4）的驱动信号，发送低电平驱动信号给第二、第四功率开关（V2，V4），关断第二、第四功率开关（V2，V4）通道。然后发送驱动信号给第一、第三功率开关（V1，V3），开通和关断第一、第三功率开关（V1，V3），因此形成的电流回路为：输出电源（1）的正端（P）---第一或第三功率开关（V1或V3）---电感（7-1或7-2）---非熔化极焊枪（9-3）或工件（9-1）---熔化极焊枪）（9-2）---输出电源（1）的负端（N）。

当功率开关（V1）从开通状态到关闭状态时，存储在电感（7-1）上的能量经第一分叉电极（B）、公共阴极（D）后，与二极管（D2）形成回路消耗能量，同时能够稳定工件（9-1）与非熔化极焊枪（9-3）的电弧燃烧，防止断弧；当第三功率开关（V3）从开通状态到关闭状态时，存储在电感（7-2）上的能量经第二分叉电极（C）、公共阴极（D）后，与二极管（D4）形成回路消耗能量,同时能够稳定熔化极焊枪（9-2）与非熔化极焊枪（9-3）的电弧燃烧，防止断弧。

通过系统控制电路（2）控制驱动电路（3）调节第一、第三功率开关（V1，V3）驱动波形的频率，则可控制两个分叉电极（B，C）的切换频率，最终控制非熔化极焊枪（9-3）与熔化极焊枪（9-2）和工件（9-1）之间燃弧的切换频率。通过系统控制电路（2）控制驱动电路（3）调节第一、第三功率开关（V1，V3）驱动波形的占空比，则可控制两个分叉电极（B，C）在一个燃弧周期内的工作时间，最终控制非熔化极焊枪（9-3）分配给熔化极焊枪（9-2）和工件（9-1）之间电弧能量，满足不同工艺需求。

Claims (3)

1.一种基于分叉复合电弧焊接的电弧能量调节装置的能量调节方法，其中，基于分叉复合电弧焊接的电弧能量调节装置包括四个功率开关、两个电感、系统控制电路、反馈电路、驱动电路、输入电源和四个输出电极，其中，四个输出电极分别为第一输出电极(A)，第二输出电极(B)，第三输出电极(C)和第四输出电极(D)，其中第一输出电极(A)和第四输出电极(D)分别为公共阳极和公共阴极，第二输出电极(B)和第三输出电极(C)分别为第一分叉电极和第二分叉电极；

输入电源(1)为直流恒定电流电源或直流恒定电压电源，具有正端(P)和负端(N)，正端(P)和公共阳极直接相连，负端(N)和公共阴极相连；

四个功率开关分别为第一功率开关(V1)，第二功率开关(V2)，第三功率开关(V3)和第四功率开关(V4)，其中，第一功率开关V1和第二功率开关(V2)组成第一半桥(6-1)，第三功率开关(V3)和第四功率开关(V4)组成第二半桥(6-2)，两个半桥分别并联于输入电源(1)的正端(P)和负端(N)之间，第一功率开关(V1)的输入端与输入电源(1)的正端(P)相连，第一功率开关(V1)的输出端与第二功率开关(V2)的输入端相连，第二功率开关(V2)的输出端与输入电源(1)的负端(N)相连；第三功率开关(V3)的输入端与输入电源(1)的正端(P)相连，第三功率开关(V3)的输出端与第四功率开关(V4)的输入端相连，第四功率开关(V4)的输出端与输入电源(1)的负端(N)相连；

两个电感分别为第一电感(7-1)和第二电感(7-2)，第一电感(7-1)的一端与第一半桥(6-1)的中点相连，另一端穿过第一电流检测元件(8-1)后，与第一分叉电极相连；第二电感(7-2)一端与第二半桥(6-2)的中点相连，另一端穿过第二电流检测元件(8-2)后，与第二分叉电极相连，第一电流检测元件(8-1)检测第一分叉电极流过的电流I1，第二电流检测元件(8-2)检测第二分叉电极流过的电流I2，电流I1、I2通过电流反馈电路(4)反馈给系统控制电路(2)；

公共阳极，公共阴极，第一分叉电极，第二分叉电极与电压反馈电路(5)相连，电压反馈电路(5)与系统控制电路(2)相连；电压反馈电路(5)接收公共阳极与第一分叉电极之间的电压U1、两分叉电极之间的电压U2和公共阴极与第二分叉电极之间的电压U3，电压反馈电路(5)将电压U1、U2、U3反馈给系统控制电路(2)；

其特征在于：四个输出电极(A，B，C，D)相应地与熔化极焊枪(9-2)，非熔化极焊枪(9-3)和工件(9-1)相连，作为阳极分叉装置时，熔化极焊枪(9-2)作为主弧与公共阳极(A)相连，非熔化极焊枪(9-3)和工件(9-1)作为分叉电极分别与第一分叉电极(B)和第二分叉电极(C)相连；作为阴极分叉装置时，非熔化极焊枪(9-3)作为主弧与公共阴极(D)相连，熔化极焊枪(9-2)和工件(9-1)作为分叉电极分别与第二分叉电极(C)和第一分叉电极(B)相连，系统控制电路(2)发出控制信号给驱动电路(3)，由驱动电路(3)分别发出四路驱动信号控制四个功率开关(V1，V2，V3，V4)的开通和关断，实现阳极分叉焊接功能或阴极分叉焊接功能。

2.根据权利要求1所述的基于分叉复合电弧焊接的电弧能量调节装置的能量调节方法，其特征在于：封锁第一、第三功率开关(V1，V3)的驱动信号，分别控制开通第二、第四功率开关(V2)的驱动信号，电弧在熔化极焊枪(9-2)与非熔化极焊枪(9-3)和工件(9-1)之间起弧，从而实现阳极分叉焊接功能；封锁第二、第四功率开关(V2，V4)的驱动信号，分别控制开通第一、第三功率开关(V1，V3)的驱动信号，电弧在非熔化极焊枪(9-3)与熔化极焊枪(9-2)和工件(9-1)之间起弧，从而实现阴极分叉焊接功能。

3.根据权利要求2所述的基于分叉复合电弧焊接的电弧能量调节装置的能量调节方法，其特征在于：在实现阳极或者阴极分叉焊接功能时，通过控制交替开通的功率开关的频率和占空比，可以精确控制两个分叉电极(B，C)的工作时间和能量分配，从而实现精确控制和不同焊接工艺。