CN1042601C - 用于二氧化碳焊接的逆变式弧焊电源时变输出特性控制方法 - Google Patents

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一种用于二氧化碳焊接的逆变式弧焊电源时变输出特性控制方法，属焊接过程控制及设备自动化领域。其方法是将CO2焊接从引弧到短路过渡完成的整个过程分成六个特征阶段，在每个特征阶段控制其电流、电压值，来达到减少飞溅，改善成形的目的，其六个特征阶段为：1.大电流燃弧阶段；2.恒压稳弧阶段；3.小电流下从燃弧过程过渡到短路过程阶段；4.短路初期小电流阶段；5.短路末期大电流阶段；6.在小电流下从短路过程过渡到燃弧过程阶段。

Description

用于二氧化碳焊接的逆变式弧焊电源时变输出特性控制方法
本发明涉及逆变式弧焊电源的输出特性控制方法，属焊接过程控制及设备自动化领域。
采用短路过渡方式的CO2气体保护焊由于具有高效节能、抗锈低氢、可以用于全位置焊接等优点而得到了广泛应用，但其飞溅较大、焊缝成形欠佳。为此，长期以来许多焊接工作者均在寻求改进措施，其中通过焊接设备实现对电弧和熔滴过渡的控制是最为常用的方法，主要包括以下几个方而：
(1)在焊接回路中串接直流电感
适当的电感既限制了短路电流上升率又限制了短路电流峰值，有利于减小飞溅。另外，电感的储能可以增加燃弧期间的能量，对改善成形意义重大。但这种方法局限性大，同一电感适应的焊接电流选用范围窄，电感的数值也难以实现细调。
(2)脉动送丝控制
脉动送丝控制是指在燃弧中期开始加速送丝，使得熔滴得到前冲的动能，随后减速送丝直至短路后停止送丝。该方法的短路过渡频率决定于脉动送丝频率，因而对短路过渡过程的控制有一定的效果，有利于防止熔滴尺寸过大，保证焊缝成形。但脉动送丝系统的动态响应差，因此短路过渡的频率受到限制，同时脉动送丝系统的结构复杂，耐用性和可靠性难以保证。
(3)电流波形控制
焊接过程电流波形控制是根据CO2焊的飞溅及成形机理，于熔滴过渡的不同阶段输出不同的电流，以达到控制飞溅改善成形的目的。如：负脉冲电流诱导过渡、双电源波形控制法、短路电流波形削波控制等。这些波形控制方法所实现的功能比较单一，同时又受传统可控硅电源动特性的限制，因而难以达到预想的效果。
表面张力过渡控制是一种较为复杂的波形控制方法，在减小飞溅方面具有良好的效果，但有以下两个不足：一是难于适应半自动焊接过程中焊丝干伸长的不断变化。二是仅靠表面张力过渡熔滴可靠性低，使得焊接过程稳定性差。
新出现的绝缘栅型双极型晶体管(IGBT)逆变式弧焊电源具有动态响应好、可控性能优异等特点，为探索新的CO2焊接过程波形控制方法提供了基础。
本发明的目的是提出一种新的逆变式弧焊电源输出特性实时控制方法。该方法通过检测CO2焊接过程中的短路和燃弧状态，而实时调整电源的输出外特性，旨在减少短路过渡CO2焊接过程的飞溅和改善焊缝成形，并保证焊接过程稳定。
本发明用于二氧化碳焊接的逆变式弧焊电源时变输出特性控制方法是将CO2焊接从引弧到短路过渡完成的整个过程分成六个特征阶段，在每个特征阶段控制其电流、电压值，来达到减少飞溅，改善成形的目的。其六个特征阶段为：1．大电流燃弧阶段；2．恒压稳弧阶段；3．小电流下从燃弧过程过渡到短路过程阶段；4．短路初期小电流阶段；5．短路束期大电流阶段；6．在小电流下从短路过程过渡到燃弧过程阶段。整个过程的电流、电压波形见图1。
(1)大电流燃弧阶段(t1-t2)：
电源输出燃弧大电流IH，其目的在于赋予电弧空间较大的能量，改善焊缝成形，同时提高短路过渡后再燃弧过程的稳定性。
(2)恒压稳弧阶段(t2-t3)：
电源输出恒定电压UM，以加强电弧自身调节作用，增强焊接过程稳定性。
(3)小电流下从燃弧过程过渡到短路过程阶段(t3-t4)：
将焊接电流降至IL，以防止熔滴长大，并使其在较小的电磁阻力下形成小桥，减少瞬时短路次数，降低飞溅率。
(4)短路初期小电流阶段(t4-t5)：
熔滴短路后，电源持续输出IL一定时间，以减小此时电磁收缩力对熔滴过渡的阻碍作用，增加熔滴过渡的柔顺性。
(5)短路末期大电流阶段(t5-t6)：
电源输出短路电流Im，以增加电磁收缩力，使熔滴尽快过渡完毕。
(6)在小电流下从短路过程过渡到燃弧过程阶段(t6-t7)：
金属熔滴开始出现颈缩，负载等效电阻值大大增加，电流沿电源平特性衰减，从而降低短路小桥爆断时的金属飞溅。通过对负载电压的检测，可以判断熔滴过渡完成，短路状态结束，再进入再燃弧初期控制阶段。
此控制方法中，固定的TH和TM(t1-t3)时间保证了焊接过程熔滴及熔深的一致性，而弹性的t3-t4时间可适应熔池波动和焊矩抖动等因素带来的干扰，保证焊接过程稳定。
上述六个特征阶段的电流、电压控制是通过控制电源的外特性实现的。电源外特性的转换过程如下(见图2)：
①大电流燃弧阶段(t1-t2)：
电源工作于输出特性①段(定时3ms)，迫使电弧燃烧在较高的恒定电流。
②恒压稳弧阶段(t2-t3)：
电源工作于定频定宽输出特性②段(定时6ms)，使电弧处于近似恒压状态。焊接过程的稳定性对焊接飞溅与成形有很大影响，为此t2-t3时间内电源输出恒定电压，增加焊接电源与送丝系统自调节功能，从而增加系统工作的稳定性。
③小电流下从燃弧过程过渡到短路过程阶段(t3-t4)：
电源工作于输出特性③段，输出小电流(40A)，电弧工作可此恒流状态持续至短路时刻。
④短路初期小电流阶段(t4-t5)：
电源工作于输出特性④段，由电压检测判断到达短路状态后，电源持续0.4ms输出前一状态小电流，避免此刻以较大电流进入短路状态，使得短路初始由于很大电磁排斥力而阻碍熔滴向熔池过渡，甚至形不成一次有效过渡而产生瞬时短路金属飞溅。
⑤短路末期大电流阶段(t5-t6)：
电源输出特性迅速切换，使短路负载处于高值恒流状态。电源工作于输出特性⑤段。
⑥在小电流下从短路过程过渡到燃弧阶段(t6-t7)：
焊接电流沿电源输出平特性衰减，电源工作于输出特性⑥段。
为了实现上述六个阶段的时变输出特性转换，针对弧焊逆变器输出电流的调节，采用了“本脉冲脉宽调制(PWM)控制”技术，其基本原理如图3所示。即在逆变器每一脉冲输出期间，控制电路对输出电流if的瞬态信息(而非平均值)进行处理，与给定值Ig进行比较，即刻决定逆变器控制单元当前输出量uo的脉冲宽度。反馈信号处理环节只对电流瞬态信息进行整形以调节灵敏度并改善系统稳定性，不存在滤波滞后，因而系统具有优异的动特性。另外，电流信号的采样点选择在主变压器原边高频逆变回路中，因而从根本上避免了功率开关元件的过流损坏。此技术适于单端正激和全桥式逆变器电路结构。
采用所设计的电源系统进行了焊接工艺实验，结果表明：在燃弧初期增加电流，有利于提高燃弧能量，改善焊缝成形(显著提高了堆高系数和熔深)；在燃弧后期减小电流，有利于熔滴顺利短路，减少燃弧阶段瞬时短路次数，明显降低了飞溅率。
说明附图如下：
图1为短路过渡CO2焊波控过程原理图。
图2为焊接过程各阶段电源输出特性图。
图3为本脉冲控制的基本原理图。
图4为微机控制的逆变电源系统原理框图。
图5为焊接状态识别电路工作原理图。
结合附图说明实施例如下：
具有时变输出特性的逆变式CO2弧焊电源可以采用微机控制电路实现，也可采用电子控制线路直接实现。图4为采用8098单片机控制的逆变电源实现CO2电弧焊波形控制的电路原理框图。
主电路以绝缘栅型双极型晶体管逆变器为核心物成，其工作频率为25KHZ，额定输出400A。
基本控制电路采用“本脉冲反馈”控制来实现图2所示的恒流输出(IH、IL、Im)，而平特性(Us、Um)的控制是通过逆变器输出定频定宽工作脉冲实现的。其大小可以通过调整电流给定值Ig和电压给定值Ug来控制。
微机控制系统通过焊接状态识别电路来检测焊接过程的三种工作状态(短路、空载、燃弧)，以确定图2中不同外特性的输出时刻。焊接状态识别电路的原理如图5所示，图中Udth、UHth、Ukth分别为短路门坎电压，燃弧门坎电压和空载门坎电压，弧压信号Uf是判断焊接状态的主要依据。当逆变电源进入某一工作状态时焊接状态识别电路会产生相应的中断信号，单片机根据不同的中断请求来识别焊接过程所处的状态，并通过电流电压采样电路进一步分析焊接工艺的要求，以此为依据来调整电源的输出外特性。
波形控制需要确定的参数众多，为得到良好的焊接效果，各个波形参数需要合理配合。在单片机控制的电源系统中，波形参数的合理配合是通过查表实现的。当焊接电流(或送丝速度)通过键盘输入后，微机系统通过查表1并进行算术插值计算便可得到合适的IS、IH、TH、UM、TM和IL。
    表1送丝速度与波形控制参数时照表
焊接电流(A)   送丝速度(cm/min) IH(A)    TH(ms)    UM(V)     TM(ms)     IL(A)     Is(A)
 40     134  120     2     25     6     25     300
 60     198  160     2     25     5     25     300
 80     250  200     2.5     26     5     30     300
 100     294  220     3     26     4     40     350
 150     409  240     3     28     4     55     360
 200     583  280     3.6     30     4     70     400
 250     771  300     3.5     32     4     80     400
注：UM为负载电阻R=1Ω时电源输出的电压值
采用上述电源系统在(60A～250A)电流范围内进行焊接工艺实验，结果表明，CO2焊接时变外特性控制方法的飞溅率小于3％，焊缝堆高系数比平特性电源提高了一半，且对焊丝干伸长的扰动具有很强的适应性。

Claims (1)

1、一种用于二氧化碳焊接的逆变式弧焊电源时变输出特性控制方法，其特征是：将CO2焊接从引弧到短路过渡完成的整个过程分成六个特征阶段，在每个特征阶段控制其电流、电压值，来达到减少飞溅，改善成形的目的，其六个特征阶段为：1、大电流燃弧阶段；2、恒压稳弧阶段，3、小电流下从燃弧过程过渡到短路过程阶段；4、短路初期小电流阶段；5、短路末期大电流阶段；6、在小电流下从短路过程过渡到燃弧过程阶段，上述六个特征阶段的电流控制是通过在逆变器原边的每一脉冲输出期间，对输出电流if的瞬态信息进行处理，与给定值ig进行比较，即刻决定逆变器的控制单元当前输出量Uo的脉冲宽度。
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