CN105880802A - 一种超音频复合脉冲gmaw焊接电源装置 - Google Patents

一种超音频复合脉冲gmaw焊接电源装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置，包括用于为BUCK型主电路提供恒定电压的恒压源、BUCK型主电路、用于为超音频脉冲电流切换电路提供恒定电流的恒流源和超音频脉冲电流切换电路，其中，恒压源与BUCK型主电路连接；恒流源与超音频脉冲电流切换电路连接；BUCK型主电路与超音频脉冲电流切换电路并联；BUCK型主电路用于为焊接提供第一输出电流，所述第一输出电流为直流或脉冲形式；超音频脉冲电流切换电路用于为焊接提供第二输出电流，所述第二输出电流为超音频脉冲电流。上述装置将超音频脉冲电流与直流或脉冲形式的电流相叠加，改善传统直流或脉冲GMAW的熔滴过渡行为，使电弧能量集中，大大提高电弧稳定性，减小电弧磁偏吹的影响。

Description

一种超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置
技术领域
本发明涉及焊接领域，尤其涉及一种超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置。
背景技术
脉冲熔化极气体保护焊(Pulsed Gas Metal Arc Welding，简称P-GMAW)可在平均焊接电流小于临界电流的条件下实现喷射过渡，具有较宽的电流调节范围，同时，由于其焊接飞溅少、生产效率高、熔透性好，焊接热输入小，适合全位置焊接等优点，广泛应用于工业生产。但是，与其他电弧焊类似，P-GMAW同样存在易产生气孔缺陷、焊缝组织粗大、接头力学性能与母材相比衰减严重等问题，尤其是脉冲焊维弧期间电流小，电弧易受干扰，稳定性较差，在实际应用中有一定的局限性。
随着超声技术和设备的发展，功率超声越来越多地应用于焊接领域。电弧焊中，超声波的引入能改善母材熔化和熔池金属凝固结晶行为，进而使焊缝组织得到细化，接头性能得到提高。清华大学吴敏生等人提出了电弧超声方法，通过隔离、耦合方式由超声激励源在焊接过程中激发出超声振动，通过电弧超声作用使焊缝晶粒细化，改善焊缝应力分布，提高焊缝接头冲击韧度和疲劳寿命。哈尔滨工业大学杨春利团队通过超声振动装置与焊枪机械耦合的方式，实现了超声振动与焊接电弧的复合，并成功应用于非熔化极和熔化极气体保护焊，研究表明超声电弧复合焊接方法在提高焊接效率，改善熔滴过渡过程，增强焊接稳定性，细化接头组织，减少气孔等方面存在一定优势。
但是，外部激励源耦合超音频脉冲的方式，所激发的超音频脉冲电流上升沿、下降沿变化率低，致使脉冲电流幅值较低，作用效果较弱。采用超声振动装置与焊枪机械耦合时，需要设计特殊结构的专用焊枪，其结构复杂，应用场合受到限制。
发明内容
本发明提供一种超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置，用以解决现有技术中采用外部激励源耦合超音频脉冲的方式致使脉冲电流幅值较低，作用效果较弱的技术问题。
本发明提供的超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置，包括用于为BUCK型主电路提供恒定电压的恒压源、BUCK型主电路、用于为超音频脉冲电流切换电路提供恒定电流的恒流源和超音频脉冲电流切换电路，其中，恒压源与BUCK型主电路连接；恒流源与超音频脉冲电流切换电路连接；BUCK型主电路与超音频脉冲电流切换电路并联；
BUCK型主电路用于为焊接提供第一输出电流，所述第一输出电流为直流或脉冲形式；
超音频脉冲电流切换电路用于为焊接提供第二输出电流，所述第二输出电流为超音频脉冲电流。
进一步的，BUCK型主电路包括第一功率开关管、电感和第一二极管，其中，第一功率开关管的漏极与恒压源的正极相连通，第一功率开关管的源极与电感相连通，第一二极管的正极接恒压源负极，第一二极管的负极与第一功率开关管的源极和电感相连通。
进一步的，超音频脉冲电流切换电路包括第二功率开关管、第三功率开关管和第二二极管，其中，第二二极管的正极与恒流源正极相连，第二二极管的负极与电感的电流输出端相连，第二功率开关管的漏极与恒流源的正极相连，第二功率开关管的源极与恒流源的负极相连，第三功率开关管的源极与恒流源的负极相连，第三功率开关管的漏极与恒压源的负极相连。
进一步的，超音频脉冲电流切换电路还包括第三二极管和第三电容，其中，第三二极管的正极与恒流源的正极相连，负极与尖峰电压吸收电路相连，尖峰电压吸收电路还与恒流源负极相连，第三电容的一端与第三二极管的负极相连，另一端与恒流源负极相连；
尖峰电压吸收电路用于吸收超音频脉冲电流切换电路产生的尖峰电压。
进一步的，第二功率开关管和第三功率开关管交替导通和关断，第二功率开关管和第三功率开关管的驱动信号频率为20kHz至100kHz之间，占空比调节范围为0到100％；超音频脉冲电流幅值为0到100A，电流上升沿、下降沿变化速率在50A/μs以上。
进一步的，第二功率开关管和第三功率开关管的驱动信号的频率和占空比均由数字信号处理器设置。
进一步的，所述装置的焊接电源总输出电流为第一输出电流与第二输出电流的叠加，其中，第二输出电流为从第二二极管输出的电流。
进一步的，还包括第一电容和第二电容，其中第一电容为电解电容，第二电容为高频电容，第一、第二电容均并联在恒压源输出端。
进一步的，还包括第四电容和第四二极管，其中，第四电容一端与恒流源的负极相连，另一端与第四二极管的负极相连，第四二极管的正极与恒压源的负极相连，第四二极管的负极还与第三二极管的负极相连。
本发明提供的超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置，将超音频脉冲电流切换电路产生的超音频脉冲电流与BUCK型主电路输出的直流或脉冲形式的电流相叠加，改善传统直流或脉冲GMAW的熔滴过渡行为，使电弧能量集中，挺度增大，在焊接时，可促进熔池流动，减少气孔缺陷，细化晶粒，改善焊接接头力学性能，引入的超音频脉冲电流将大大提高电弧稳定性，减小电弧磁偏吹的影响。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为本发明提供的超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置的电路示意图；
图2a-图2d为在传统直流GMAW上叠加连续的超音频脉冲电流时图1中电流IA、IB、IC、ID的波形示意图；
图3a-图3d为在传统脉冲GMAW基值上叠加超音频脉冲电流时图1中电流IA、IB、IC、ID的波形示意图；
图4a-图4d为在传统脉冲GMAW峰值上叠加超音频脉冲电流时图1中电流IA、IB、IC、ID的波形示意图；
图5a-图5d为在传统脉冲GMAW基值与峰值上均叠加超音频脉冲电流时图1中电流IA、IB、IC、ID的波形示意图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例一
图1为本发明提供的超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置的电路示意图；如图1所示，本实施例提供一种超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置，包括用于为BUCK型主电路2提供恒定电压的恒压源1、BUCK型主电路2、用于为超音频脉冲电流切换电路4提供恒定电流的恒流源3和超音频脉冲电流切换电路4，其中，恒压源1与BUCK型主电路2连接；恒流源3与超音频脉冲电流切换电路4连接；BUCK型主电路2与超音频脉冲电流切换电路4并联；BUCK型主电路2用于为焊接提供第一输出电流，所述第一输出电流为直流或脉冲形式；超音频脉冲电流切换电路4用于为焊接提供第二输出电流，所述第二输出电流为超音频脉冲电流。
具体的，熔化极气体保护焊(gas metal arc welding，简称GMAW)是一种在气体保护下，利用焊丝和焊件之间的电弧熔化母材和连续送给的焊丝，形成熔池和焊缝的焊接方法。本实施例提供的超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置用于为焊接过程提供电源，如图1所示，所述装置的输出端分别与焊枪7和工件8相连接，以便为焊接过程提供电源。
本实施例提供的超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置，通过在BUCK型主电路2输出的第一输出电流上叠加超音频脉冲电流切换电路4输出的第二输出电流，即超音频脉冲电流，以改善传统直流或脉冲GMAW的熔滴过渡行为，使电弧能量集中，挺度增大，在焊接时，可促进熔池流动，减少气孔缺陷，细化晶粒，改善焊接接头力学性能，引入的超音频脉冲电流将大大提高电弧稳定性，减小电弧磁偏吹的影响。
进一步的，恒流源3输出直流电流，直流电流的调节范围为0到100A，最大为100A。恒压源1输出电压范围为70V到80V之间。
进一步的，上述装置还包括第一电容C1和第二电容C2，其中第一电容C1为电解电容，第二电容C2为高频电容，第一电容C1、第二电容C2均并联在恒压源输出端。
实施例二
本实施例是在上述实施例的基础上进行的补充说明。
如图1所示，本实施例提供一种超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置，其中，BUCK型主电路2包括第一功率开关管VT1、电感L和第一二极管D1，第一功率开关管VT1的漏极与恒压源1的正极相连通，第一功率开关管VT1的源极与电感L相连通，第一二极管D1的正极接恒压源1的负极，第一二极管D1的负极与第一功率开关管VT1的源极和电感L相连通。
具体的，BUCK型主电路2提供的第一输出电流IA为直流或脉冲形式，最大输出电流可达500A。第一功率开关管VT1为绝缘栅双极晶体管。
进一步的，超音频脉冲电流切换电路4包括第二功率开关管VT2、第三功率开关管VT3和第二二极管D2，其中，第二二极管D2的正极与恒流源3正极相连，第二二极管D2的负极与电感L的电流输出端相连，第二功率开关管VT2的漏极与恒流源3的正极相连，第二功率开关管VT2的源极与恒流源3的负极相连，第三功率开关管VT3的源极与恒流源3的负极相连，第三功率开关管VT3的漏极与恒压源1的负极相连。
进一步的，上述装置还包括第三二极管D3和第三电容C3，其中，第三二极管D3的正极与恒流源3的正极相连，负极与尖峰电压吸收电路5相连，尖峰电压吸收电路5还与恒流源3负极相连，第三电容C3的一端与第三二极管D3的负极相连，另一端与恒流源3负极相连；尖峰电压吸收电路5用于吸收超音频脉冲电流切换电路4产生的尖峰电压。
第二功率开关管VT2和第三功率开关管VT3交替导通和关断，第二功率开关管VT2和第三功率开关管VT3的驱动信号频率为20kHz至100kHz之间，占空比调节范围为0到100％；超音频脉冲电流幅值为0到100A，电流上升沿、下降沿变化速率在50A/μs以上。
具体的，第二功率开关管VT2与第三功率开关管VT3交替导通和关断，其驱动信号频率为20～100kHz，占空比调节范围为0～100％。超音频脉冲电流切换电路4输出的超音频脉冲电流幅值与恒流源3输出电流幅值相同。第二功率开关管VT2与第三功率开关管VT3快速开通与关断时会产生较大的尖峰电压，由尖峰电压吸收电路5对其进行吸收，起到对第二功率开关管VT2与第三功率开关管VT3的保护作用。
进一步的，上述装置还包括第四电容C4和第四二极管D4，其中，第四电容C4一端与恒流源的负极相连，另一端与第四二极管D4的负极相连，第四二极管D4的正极与恒压源的负极相连，第四二极管D4的负极还与第三二极管D3的负极相连。
进一步的，第二功率开关管VT2和第三功率开关管VT3的驱动信号的频率和占空比均由数字信号处理器(图中未示出)设置。
所述装置的焊接电源总输出电流为第一输出电流IA与第二输出电流IC的叠加，其中，第二输出电流IC为从第二二极管D2输出的电流。
具体的，如图1所示送丝机6为等速送丝模式，送丝速度调节范围为2～20m/min。焊接电源总输出电流为第一输出电流IA与第二输出电流IC的叠加，第一输出电流IA与第二输出电流IC的给定信号、第二功率开关管VT2与第三功率开关管VT3驱动信号的频率及占空比均由数字信号处理器同步设置，可实现多种焊接电流输出形式。如传统直流GMAW叠加超音频脉冲电流，脉冲GMAW基值叠加超音频脉冲电流，脉冲GMAW峰值叠加超音频脉冲电流，脉冲GMAW基值和峰值同时叠加超音频脉冲电流。
本实施例提供的超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置，改善传统直流或脉冲GMAW的熔滴过渡行为，电弧能量集中，挺度增大，促进熔池流动，减少气孔缺陷，细化晶粒，改善焊接接头力学性能，脉冲焊时，基值期间引入超音频脉冲电流将大大提高电弧稳定性，减小电弧磁偏吹的影响。超音频脉冲电流幅值高达100A，与通过外部激励源耦合的方式相比，超声作用更强烈；本发明的焊接电源装置无需特殊结构的焊枪，更为通用。由DSP实现数字化控制，电流给定信号与超音频脉冲驱动信号同步设置，可输出多种形式焊接电流波形。
以下列举具体实施例进行详细说明。
如图2a-图2d所示，在传统直流GMAW上叠加连续的超音频脉冲电流时图1中电流IA、IB、IC、ID的波形示意图。电流IA为直流输出，电流调节范围为5～500A；电流IB为直流输出，电流调节范围为0～100A；电流IC为超音频脉冲电流，当VT2导通，VT3关断时，电流IC为0，当VT2关断，VT3导通时，电流IC的值等于电流IB，VT2、VT3的切换频率及占空比即为电流IC的频率及占空比，均由DSP设置。电流ID为电流IA与电流IC之和。
如图3a-图3d所示，在传统脉冲GMAW基值上叠加超音频脉冲电流时图1中电流IA、IB、IC、ID的波形示意图。第一输出电流IA为脉冲输出，Ib为脉冲基值电流，Ip为脉冲峰值电流，Tb为基值时间，Tp为峰值时间，Tp的调节范围为0.1～9.9ms，Tb的调节范围为0.1～300.0ms。焊接时，基值时间Tb内，VT2与VT3按照设定的频率和占空比交替导通和关断，电流IC输出超音频脉冲电流；峰值时间Tp内，VT2导通，VT3关断，电流IC为0；电流ID为电流IA与电流IC之和。
如图4a-图4d所示，在传统脉冲GMAW峰值上叠加超音频脉冲电流时图1中电流IA、IB、IC、ID的波形示意图。电流IA为脉冲输出，Ib为脉冲基值电流，Ip为峰值电流，Tb为基值时间，Tp为峰值时间，Tp的调节范围为0.1～9.9ms，Tb的调节范围为0.1～300.0ms；电流IB为直流输出；焊接时，基值时间Tb内，VT2导通，VT3关断，电流IC为0；峰值时间Tp内，开关管VT2与VT3按照设定的频率和占空比交替导通和关断，电流IC输出超音频脉冲电流；电流ID为电流IA与电流IC之和。
如图5a-图5d所示，在传统脉冲GMAW基值与峰值上均叠加超音频脉冲电流时图1中电流IA、IB、IC、ID的波形示意图。电流IA为脉冲输出，Ib为脉冲基值电流，Ip为峰值电流，Tb为基值时间，Tp为峰值时间，Tp的调节范围为0.1～9.9ms，Tb的调节范围为0.1～300.0ms；电流IB为直流输出；焊接时，VT2与VT3按照设定的频率和占空比交替导通和关断，电流IC输出连续的超音频脉冲电流；电流ID为电流IA与电流IC之和。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置，其特征在于，包括用于为BUCK型主电路提供恒定电压的恒压源、BUCK型主电路、用于为超音频脉冲电流切换电路提供恒定电流的恒流源和超音频脉冲电流切换电路，其中，恒压源与BUCK型主电路连接；恒流源与超音频脉冲电流切换电路连接；BUCK型主电路与超音频脉冲电流切换电路并联；
BUCK型主电路用于为焊接提供第一输出电流，所述第一输出电流为直流或脉冲形式；
超音频脉冲电流切换电路用于为焊接提供第二输出电流，所述第二输出电流为超音频脉冲电流。
2.根据权利要求1所述的超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置，其特征在于，BUCK型主电路包括第一功率开关管、电感和第一二极管，其中，第一功率开关管的漏极与恒压源的正极相连通，第一功率开关管的源极与电感相连通，第一二极管的正极接恒压源负极，第一二极管的负极与第一功率开关管的源极和电感相连通。
3.根据权利要求2所述的超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置，其特征在于，超音频脉冲电流切换电路包括第二功率开关管、第三功率开关管和第二二极管，其中，第二二极管的正极与恒流源正极相连，第二二极管的负极与电感的电流输出端相连，第二功率开关管的漏极与恒流源的正极相连，第二功率开关管的源极与恒流源的负极相连，第三功率开关管的源极与恒流源的负极相连，第三功率开关管的漏极与恒压源的负极相连。
4.根据权利要求3所述的超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置，其特征在于，还包括第三二极管和第三电容，其中，第三二极管的正极与恒流源的正极相连，负极与尖峰电压吸收电路相连，尖峰电压吸收电路还与恒流源负极相连，第三电容的一端与第三二极管的负极相连，另一端与恒流源负极相连；
尖峰电压吸收电路用于吸收超音频脉冲电流切换电路产生的尖峰电压。
5.根据权利要求3所述的超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置，其特征在于，第二功率开关管和第三功率开关管交替导通和关断，第二功率开关管和第三功率开关管的驱动信号频率为20kHz至100kHz之间，占空比调节范围为0到100％，电流幅值为0到100A，电流上升沿、下降沿变化速率在50A/μs以上。
6.根据权利要求5所述的超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置，其特征在于，第二功率开关管和第三功率开关管的驱动信号的频率和占空比均由数字信号处理器设置。
7.根据权利要求1所述的超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置，其特征在于，所述装置的焊接电源总输出电流为第一输出电流与第二输出电流的叠加，其中，第二输出电流为从第二二极管输出的电流。
8.根据权利要求1所述的超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置，其特征在于，还包括第一电容和第二电容，其中第一电容为电解电容，第二电容为高频电容，第一电容、第二电容均并联在恒压源输出端。
9.根据权利要求1所述的超音频复合脉冲GMAW焊接电源装置，其特征在于，还包括第四电容和第四二极管，其中，第四电容一端与恒流源的负极相连，另一端与第四二极管的负极相连，第四二极管的正极与恒压源的负极相连，第四二极管的负极还与第三二极管的负极相连。
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