CN105171189A - 一种逆变式软开关的焊接装置 - Google Patents

Abstract

<b>本发明涉及压力及管道行业的高速焊接技术领域，特别涉及一种逆变式软开关的焊接装置。本发明的一种逆变式软开关的焊接装置包括顺序连接的用于设置参数的人机界面板、用于驱动控制模块的驱动模块、用于接收人机界面板的指令并发出送丝指令的控制模块、用于执行送丝指令的送丝机构和气保焊枪。本发明通过人机界面板设置参数，驱动模块驱动控制模块接收人机界面板的指令并发出送丝指令，送丝机构执行控制模块的送丝指令，使气保焊枪根据送丝指令进行焊接。本发明输出电弧稳定、焊缝成型快、熔池深度不变，而且损失功耗小，焊接速度快。</b>

Description

一种逆变式软开关的焊接装置

技术领域

本发明涉及压力及管道行业的高速焊接技术领域，特别涉及一种逆变式软开关的焊接装置。

背景技术

在MIG焊接或MMA焊接技术领域内，传统的熔化极焊接系统在执行打底焊时需要采用小电流焊接，且容易焊漏工件，需要增加后续工序来修补工件，特别是目前在管道及压力容器行业，采用传统的手工焊接速度慢，且需要更换焊条及敲渣等工序，严重浪费工时及降低生产效率，且压力容器属于特种设备，生产加工作业管理十分严格，而需求量巨大，因此需要提高其生产效率，就要提高焊接速度，然而传统的熔化极气保焊焊接速度一般为0.5-0.6M/Min，提高焊接电流及焊接电压可以加快焊接速度，但过高的热输入会导致焊材变形及飞溅增大，需要增加后续打磨工序，且传统的熔化极气体保护焊接系统由恒压特性的电源配等速送丝系统组成，正常焊接时电流波动范围最小在30-50A之间，特别是焊丝干伸长发生变化时，电流变化率达到50-80A，导致飞溅突然变大，焊缝熔深及焊接成型宽度都发生变化，严重地影响焊缝性能及外观成型，而且比较功率损耗比较大。

发明内容

为了克服上述所述的不足，本发明的目的是提供一种输出电弧稳定、焊缝成型快、熔池深度不变的逆变式软开关的焊接装置。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

一种逆变式软开关的焊接装置，其中，包括顺序连接的用于设置参数的人机界面板、用于驱动控制模块的驱动模块、用于接收人机界面板的指令并发出送丝指令的控制模块、用于执行送丝指令的送丝机构和气保焊枪。

作为本发明的一种改进，所述控制模块包括用于接收电流反馈、电压反馈和人机界面板的控制指令的电源控制单元和用于接收所述送丝机构的电流调节指令、电压调节指令且控制送丝及焊接成型的高速送丝单元；所述电源控制单元包括电流电压采样电路和单端正激变换电路；所述高速送丝单元包括焊接电压反馈电路、送丝速度反馈电路、PWM调节电路。

作为本发明的进一步改进，所述高速送丝单元还包括送丝刹车电路；所述送丝刹车电路包括变压器T1、二极管V1、二极管V2、可控硅N1、可控硅N2、光控可控硅U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、MOS管N3。

作为本发明的更进一步改进，所述高速送丝单元还包括焊接时序控制电路；所述焊接时序控制电路包括若干时序逻辑电路。

作为本发明的更进一步改进，所述高速送丝单元还包括弧压反馈控制电路和自锁逻辑电路；所述弧压反馈控制电路包括电阻R170、电阻R500、电阻R800、电阻R120、电阻R90、电阻R160、电阻R150、电阻R100、电阻R600、电阻R700、电阻R300、电阻R101、电阻R200、电阻R400、电阻R130、电阻R110、电阻R140、滑动电阻W1、电容C500、电容C60、电容C100、电容C300、电容C400、电容C200、电容C700、二极管V10、运算放大器N1C、运算放大器N1A、PWM芯片误差放大器B；所述自锁逻辑电路包括电容C46、电容C54、电容C51、电容C52、电容C50、电容C59、电容C48、电容C49、电容C43、电阻R81、电阻R80、电阻R83、电阻R100、电阻R98、电阻R88、电阻R84、电阻R96、电阻R78、电阻R77、电阻R79、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D2、二极管D3、发光二极管U15、稳压二极管Z5、三极管Q1、三极管Q3、芯片J1、芯片U17。

作为本发明的更进一步改进，所述电源控制单元与所述高速送丝单元通过中继电缆连接，所述高速送丝单元与所述送丝机构也通过中继电缆连接。

作为本发明的更进一步改进，所述驱动模块包括整流滤波电路、全桥移相软开关逆变电路、全波整流电路、电源工频变压器和驱动单元。

作为本发明的更进一步改进，所述驱动单元包括峰值电流全桥采样电路和移相全桥谐振电路。

作为本发明的更进一步改进，所述送丝机构内设置有电流电压调节电路。

作为本发明的更进一步改进，所述中继电缆包括电流电压给定信号调节、焊接电压反馈、点动送丝的控制线。

本发明通过人机界面板设置参数，驱动模块驱动控制模块接收人机界面板的指令并发出送丝指令，送丝机构执行控制模块的送丝指令，使气保焊枪根据送丝指令进行焊接。本发明输出电弧稳定、焊缝成型快、熔池深度不变，而且损失功耗小，焊接速度快。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的结构连接图；

图3为本发明的送丝刹车电路图；

图4为本发明的工作时序图A；

图5为本发明的工作时序图B；

图6为本发明的自锁逻辑电路图；

图7为本发明的自锁逻辑时序图；

图8为本发明的弧压反馈控制电路图；

图9为本发明的驱动波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，本发明的一种逆变式软开关的焊接装置包括顺序连接的用于设置参数的人机界面板、用于驱动控制模块的驱动模块、用于接收人机界面板的指令并发出送丝指令的控制模块、用于执行送丝指令的送丝机构和气保焊枪。

进一步，控制模块包括用于接收电流、电压反馈和人机界面板的控制指令的电源控制单元和用于接收送丝机构的电流、电压调节指令且控制送丝及焊接成型的高速送丝单元；电源控制单元包括电流电压采样电路和单端正激变换电路；高速送丝单元包括焊接电压反馈电路、送丝速度反馈电路、PWM调节电路。

电源控制单元主要接受电流电压反馈、人机界面板的整定与控制指令以及送丝机构的控制指令实现恒流/恒压输出。

高速送丝单元主要接受送丝机构电流、电压调节指令，特别是焊接电压（工件与气保焊枪端）反馈信号一起实现高速送丝的控制及焊接成型的控制，调节PWM精确控制送丝速度，高速稳定的调节送丝状态，保证焊缝成型及熔池深度不变。在高速送丝单元还包括送丝刹车电路，焊接停止时，采用合理的延时削掉焊丝前端小球后实现稳定的刹车功能，杜绝焊丝与工件的粘连；高速送丝单元还包括送丝刹车电路；所述送丝刹车电路包括变压器T1、二极管V1、二极管V2、可控硅N1、可控硅N2、光控可控硅U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、MOS管N3；在刹车电路中一只并联在送丝电机正负端的MOS管N3，当送丝机正常工作时，该MOS管N3门极失电关闭，对送丝机没任何影响，当送丝电机刹车时，该MOS管N3得电导通，短路送丝电机正负极起到短路刹车的作用；送丝刹车电路采用可控硅直流调速电路，通过控制可控硅的导通角来实现调节送丝电机的转速。当触发端有高电平时，光控可控硅U1导通，可控硅N1、N2导通，将电源加到电机上。当刹车信号为高电平时，MOS管N3导通，通过R6将电机短路，则实现电机停转。

高速送丝单元还包括焊接时序控制电路，其中具有非自锁时序状态和自锁时序状态，焊接时序控制电路由一系列时序逻辑电路组成，焊接开始时当焊枪开关焊接指令发出后，首先打开电磁气阀预先通过保护气体，焊接结束时当焊枪开关停止指令发出后，首先降低焊接电流并保持一定时间，然后断掉焊接电流，最后延迟一定时间后关断电磁气阀断掉保护气体，从而完成一个完整的焊接时序。如图4所示，非自锁状态下高速焊接系统工作时序图，焊枪开关信号，保护气体信号，送丝机信号，电源，焊接电流。工作时序如下：焊枪开关，电磁阀打开，输出保护气体，延迟一段时间（200-1000毫秒可调）后焊接电源和送丝机一起开始工作，焊接开始；断开枪开关时，送丝机停止驱动并刹车急停，焊接电源延迟一段时间（30-500毫秒可调）后关闭(作用：削去焊丝端的小球，保证下次焊接时焊丝与工件接触良好)。最后关闭电磁阀，停止保护气体的输出。如图5所示，自锁状态下高速焊接系统工作时序图，焊枪开关信号，保护气体信号，送丝机信号，电源，焊接电流。工作时序如下：按下焊枪开关，触发开关信号后即可松开枪开关，电磁阀动作，保护气体输出，延迟一段时间（200-1000毫秒可调）后焊接电源跟送丝机一起开始工作，焊接开始；再次按下枪开关时，触发收弧电流电压调节电路，控制系统执行新的焊接电流电压参数对工件进行焊接。松开枪开关后，送丝机停止驱动并刹车急停，焊接电源延迟一段时间（30-500毫秒可调）后关闭(作用：削去焊丝端的小球，保证下次焊接时焊丝与工件接触良好)，最后关闭电磁阀，停止保护气体的输出。

进一步，高速送丝单元还包括弧压反馈控制电路和自锁逻辑电路；所述弧压反馈控制电路包括电阻R170、电阻R500、电阻R800、电阻R120、电阻R90、电阻R160、电阻R150、电阻R100、电阻R600、电阻R700、电阻R300、电阻R101、电阻R200、电阻R400、电阻R130、电阻R110、电阻R140、滑动电阻W1、电容C500、电容C60、电容C100、电容C300、电容C400、电容C200、电容C700、二极管V10、运算放大器N1C、运算放大器N1A、PWM芯片误差放大器B；所述自锁逻辑电路包括电容C46、电容C54、电容C51、电容C52、电容C50、电容C59、电容C48、电容C49、电容C43、电阻R81、电阻R80、电阻R83、电阻R100、电阻R98、电阻R88、电阻R84、电阻R96、电阻R78、电阻R77、电阻R79、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D2、二极管D3、发光二极管U15、稳压二极管Z5、三极管Q1、三极管Q3、芯片J1、芯片U17。弧压反馈控制是通过弧压采集电路采集焊接时的电弧电压将这个电压和弧压给定电压相比较得出误差电压，通过比例积分处理后去控制送丝机供电电压以达到控制送丝速度稳定弧压的目的；自锁电路为一D触发器电路，当焊枪开关焊接指令收到后，D触发器将其锁存，一种保持这这个焊接状态，只有当焊枪开关停止指令收到后，D触发器才解除焊机状态的锁存继而锁存停止状态，直到下一次焊焊接。自锁逻辑时序如图7所示，自锁状态（4T），焊枪开关（GUN）触发，整个高速系统焊接系统按正常设定电压电流工作，焊枪开关第二次触发，按住枪开关，收弧给定信号接入控制系统，高速焊接系统按收弧设定的电流、电压工作，松开焊枪开关，焊机停止工作。

弧压反馈控制电路如图8所示：焊接电弧电压反馈Ｖarc取自电弧端，误差Vf用来修正整定及干扰，Vf=K(Uarc，Larc，Lw，Mcable,Mnozzle，Lcable)，其中K比例反馈系数,Uarc：电弧电压，Larc：电弧弧长，Lw：焊接电缆长度，Mcable:焊接材料类型，Mnozzle:导电嘴材质，Lcable：焊接电缆长度，通过实测不同焊接材料、不同线长、弧长的焊接参数对比控制算法，实现精确的电弧电压取样，保证有效剔除焊接过程中的除电弧电压反馈外的其它干扰因数，精确控制PWM输出脉宽来调节送丝速度，保证焊接过程中电弧长度不变。

此电路由R5、R8、W1、R17、C5等电阻及电容、运放N1构成，V1用来钳位送丝机电机电枢续流反馈电压，Vfeedback为送丝机构给定脉宽关闭时，送丝机电枢因惯性持续转动时线圈续流而产生的反电动势；当Varc增大时，送丝速度整定W1跟随增大，PWM调节脉宽增大，送丝机构转速加快，维持电弧长度不变；当Varc减小时，送丝速度速度W1跟随减小，PWM调节脉宽变窄，送丝机构转速减慢，防止顶丝，保证焊接电弧长度不变。

进一步，电源控制单元与高速送丝单元通过中继电缆连接，高速送丝单元与送丝机构也通过中继电缆连接。

驱动模块包括整流滤波电路、全桥移相软开关逆变电路、全波整流电路、电源工频变压器和驱动单元；驱动单元包括峰值电流全桥采样电路和移相全桥谐振电路；峰值电流全桥采样电路是安装在一次侧的检测电路，由脉电流互感器，快恢复二极管全波整流电路和中频滤波电路组成，检测一次侧的电流作为焊接电流大小的判据和过流信号的判据；移相全桥谐振电路采用通用的桥臂并联电容谐振电路方法，桥臂并联电容和IGBT管体电容以及分布电容和变压器漏感及布电感构成LC谐振回路，通过移相的PWM脉冲使得IGBT工作在零电压关断零电流开通的软开关状态；采用移相全桥谐振电路，并接入谐振电感和谐振电容来实现软开关，其工作状态和过程如下：假定t=t0开始时，VT1、VT4导通，变压器原边流过电流为Io。在t=t1时刻，VT1关断，变压器原边电流在副边电流作用下仍保持Io不变，此时电流从VT1转移到超前臂并联电容C1和C2上，给C1充电，使C2放电，VT1零电压关断，通过C1、C2的电流均为Io/2。经过若干时间后，C1、C2充放电结束。当t=t2时，Io在外加电压作用下迅速变小，VT4实现零电流关断。在t=t3时刻，C2电压下降到接近为零，VT3反并联二极管VD3自然导通，并将VT3两端的电压钳位在零，此时VT3实现零电压开通，逆变器处于续流状态。当Io减小到饱和电感L1的饱和点电流时，L1参与工作，VT2实现零电流开通。经过一段时间后，饱和电感L1反向饱和，变压器又开始向副边输送能量，以后的工作过程与此类似。由于VT1、VT3工作时先于VT2、VT4关断，故称VT1、VT3为超前臂，VT2、VT4为滞后臂。△t可认为与Io无关，而与电感L1的饱和点电流有关，并与VT2、VT3之间的死区时间相等。

送丝机构内设置有电流电压调节电路，送丝机构主要执行高速送丝单元给出的送丝指令并完成送丝功能，并接受操作者调节的焊接参数并反馈给高速送丝单元及电源控制单元，高速送丝单元与送丝机构之前采用中继电缆的方式连接；送丝机构采用印刷电机。

进一步，中继电缆包括电流电压给定信号调节、焊接电压反馈、点动送丝的控制线。

本发明的驱动波形图如附图9所示：印刷电机驱动控制系统采用PWM调节，电机反馈电压系数加入焊接电弧电压V0补偿，比例积分后与焊接电弧电压共同调节送丝速度的大小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种逆变式软开关的焊接装置，其特征在于，包括顺序连接的用于设置参数的人机界面板、用于驱动控制模块的驱动模块、用于接收人机界面板的指令并发出送丝指令的控制模块、用于执行送丝指令的送丝机构和气保焊枪。

2.根据权利要求1所述的一种逆变式软开关的焊接装置，其特征在于，所述控制模块包括用于接收电流反馈、电压反馈和人机界面板的控制指令的电源控制单元和用于接收所述送丝机构的电流调节指令、电压调节指令且控制送丝及焊接成型的高速送丝单元；所述电源控制单元包括电流电压采样电路和单端正激变换电路；所述高速送丝单元包括焊接电压反馈电路、送丝速度反馈电路、PWM调节电路。

3.根据权利要求2所述的一种逆变式软开关的焊接装置，其特征在于，所述高速送丝单元还包括送丝刹车电路；所述送丝刹车电路包括变压器T1、二极管V1、二极管V2、可控硅N1、可控硅N2、光控可控硅U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、MOS管N3。

4.根据权利要求3所述的一种逆变式软开关的焊接装置，其特征在于，所述高速送丝单元还包括焊接时序控制电路；所述焊接时序控制电路包括若干时序逻辑电路。

5.根据权利要求4所述的一种逆变式软开关的焊接装置，其特征在于，所述高速送丝单元还包括弧压反馈控制电路和自锁逻辑电路；所述弧压反馈控制电路包括电阻R170、电阻R500、电阻R800、电阻R120、电阻R90、电阻R160、电阻R150、电阻R100、电阻R600、电阻R700、电阻R300、电阻R101、电阻R200、电阻R400、电阻R130、电阻R110、电阻R140、滑动电阻W1、电容C500、电容C60、电容C100、电容C300、电容C400、电容C200、电容C700、二极管V10、运算放大器N1C、运算放大器N1A、PWM芯片误差放大器B；所述自锁逻辑电路包括电容C46、电容C54、电容C51、电容C52、电容C50、电容C59、电容C48、电容C49、电容C43、电阻R81、电阻R80、电阻R83、电阻R100、电阻R98、电阻R88、电阻R84、电阻R96、电阻R78、电阻R77、电阻R79、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D2、二极管D3、发光二极管U15、稳压二极管Z5、三极管Q1、三极管Q3、芯片J1、芯片U17。

6.根据权利要求5所述的一种逆变式软开关的焊接装置，其特征在于，所述电源控制单元与所述高速送丝单元通过中继电缆连接，所述高速送丝单元与所述送丝机构也通过中继电缆连接。

7.根据权利要求6所述的一种逆变式软开关的焊接装置，其特征在于，所述驱动模块包括整流滤波电路、全桥移相软开关逆变电路、全波整流电路、电源工频变压器和驱动单元。

8.根据权利要求7所述的一种逆变式软开关的焊接装置，其特征在于，所述驱动单元包括峰值电流全桥采样电路和移相全桥谐振电路。

9.根据权利要求8所述的一种逆变式软开关的焊接装置，其特征在于，所述送丝机构内设置有电流电压调节电路。

10.根据权利要求6所述的一种逆变式软开关的焊接装置，其特征在于，所述中继电缆包括电流电压给定信号调节、焊接电压反馈、点动送丝的控制线。