CN111203610A - 双丝中值脉冲mig焊电源系统及其控制方法 - Google Patents

双丝中值脉冲mig焊电源系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双丝中值脉冲MIG焊电源系统及其控制方法，包括三相交流输入电网、主机电源、从机电源、人机界面和电弧负载；所述中值脉冲包括前中值、中中值、后中值以及前后中值混合模式，基值阶段主要起维弧作用，中值阶段熔化焊丝形成熔滴，峰值阶段电流上升，焊丝加速熔化形成熔滴，电磁力增大，在峰值阶段最后时刻熔滴脱离焊丝进入熔池。该系统利用中值脉冲精确控制熔滴过渡过程，控制精度高；通过不同的相位匹配，控制热输入过程，减少焊接变形，适应不同材料焊接，同时，利用三阶段脉冲对熔池进行搅拌作用，细化晶粒组织。

Description

双丝中值脉冲MIG焊电源系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及双丝中值脉冲MIG焊电源系统及其控制方法。
背景技术
传统焊接技术采用单丝焊接，熔敷效率低，生产周期长，急需一种效率更高，接头质量更高的焊接技术。双丝脉冲MIG焊是高效化焊接工艺创新方式之一，是在单丝焊的基础上发展而来，由两套单丝焊系统组成，主从电弧在同一个熔池上燃烧，与单丝脉冲MIG焊相比，不仅提高了总的热输入和焊接速度，还能改变焊接过程中的热分布及提高焊件的焊接质量，从而实现高效化和高质量焊接。目前，双丝脉冲MIG焊接技术广泛应用在各种生产场合，为我国的工业发展贡献着巨大力量。现有的双丝脉冲MIG焊虽然能提高焊接效率，但依然存在许多缺点：
(1)双丝脉冲MIG焊接时，电流流过两个电弧，在焊丝和母材之间形成电磁场，造成两个电弧相互吸引，使电弧偏离理论位置，对熔滴的大小和过渡方向产生影响，严重的甚至引起断弧和飞溅，造成焊接过程不稳定，影响焊接质量；
(2)焊接材料单一，例如焊接铝合金、钛合金、低碳钢等材料时，材料熔点各不相同，焊丝熔化形成熔滴并且过渡的时间也不同，采用目前的脉冲焊接技术，调节参数较少，且调节范围小，控制精度不高，焊接过程中飞溅严重，焊接质量差。
传统的双丝脉冲MIG焊有峰值和基值两个阶段，基值阶段维持电弧燃烧而不熄灭，峰值阶段熔化焊丝形成熔滴并使熔滴过渡。熔滴的大小和过渡时间控制精度不高，峰值电流过大则电磁力较大，提早使熔滴发生颈缩而过渡，此时熔滴较小；峰值电流较小，电磁力较小，不足以使熔滴脱落，熔滴不断长大，当熔滴的重力增加到一定数值时突然脱落进入熔池，引起熔池飞溅严重。峰值电流过大或者过小都无法实现一脉一滴的过渡方式。
发明内容
为了克服现有焊接电源系统存在的缺点，本发明提供一种双丝中值脉冲MIG焊电源系统及其控制方法。
本发明可以任意调节基值电流Ib、基值时间tb、中值电流Im、中值时间tm、峰值电流Ip、峰值时间tp，优化焊接过程的热输入，提高熔滴过渡的控制精度，同时通过三阶段脉冲切换对熔池进行搅拌作用，细化晶粒组织，加快气泡上浮速率，从而减少气孔的发生率，以适应不同材料的焊接。
本发明采用如下技术方案：
一种双丝中值脉冲MIG焊电源系统，包括三相交流输入电网、主机电源、从机电源、人机界面和电弧负载；
所述主机电源一端与三相交流输入电网连接，其另一端与电弧负载连接，所述从机电源一端与三相交流输入电网连接，其另一端与电弧负载连接；
所述主机电源和从机电源结构相同，均包括主电路、高频驱动模块、DSP控制模块、故障保护模块及电压电流检测模块；
所述主电路包括依次连接的输入整流滤波模块、逆变模块、降压变压器模块及输出整流滤波模块；
所述高频驱动模块一端与逆变模块连接，其另一端与DSP控制模块连接；
所述故障保护模块一端与三相交流输入电网连接，其另一端与DSP控制模块连接；
所述电压电流检测模块一端与电弧负载连接，其另一端与DSP控制模块连接；
所述主机电源的DSP控制模块和从机电源DSP控制模块通过CAN现场总线交互通信；
还包括人机界面模块，所述人机界面分别与主机电源和从机电源的DSP控制模块连接。
所述人机界面模块用于实现焊接参数的设定和实时显示，包括ARM芯片、控制器、驱动器和LCD屏；所述ARM芯片采用STM32F103ZET6。
所述主机电源的DSP控制模块和从机电源的DSP控制模块，均采用TMS320F280049或TMS320F28379D数字信号处理器，数字信号处理器输出脉冲宽度调制(Pulse widthmodulation,PWM)和脉冲频率调制(Pulse frequency modulation,PFM)信号，在硬开关时，调节PWM占空比，在移相全桥软开关时，调节PWM移相角，在LLC谐振软开关时，调节PFM频率，控制功率开关管的开通和关断时间，从而实现不同阶段脉冲电流输出。
双丝中值脉冲MIG焊电源系统的控制方法，通过人机界面与主机电源和从机电源DSP控制模块之间的交互通信，实现对主机电源和从机电源的协同控制，使得焊接电源系统进入中值模式工作，实现对熔滴过渡的控制。
所述中值模式包括前中值模式、中中值模式、后中值模式及前后中值混合模式，并分别用A代表前中值模式，B代表中中值模式，C代表后中值模式，D代表前后中值混合模式。
当系统工作在A模式时，包括三种工作状态，分别为A1、A2及A3状态，每个状态依次经历包括基值阶段、中值阶段及峰值阶段，所述基值阶段电流较小，不足以熔化焊丝，处于维弧阶段，中值阶段电流增大，焊丝熔化形成熔滴，但此时电流还未达到过渡的临界值，峰值阶段电流迅速上升，熔滴快速长大，电磁力和熔滴重力增大，熔滴脱离焊丝进入熔池；
所述电源系统工作在A1状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值-基值，中值-中值，峰值-峰值，主机电源和从机电源同步输出前中值电流，熔滴同时形成、长大和脱落，在A1状态下通过控制中值电流的大小或中值时间的长短，从而获得不同大小的熔滴；
所述电源系统工作在A2状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值-峰值，中值-基值，峰值-中值；
所述电源系统工作在A3状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值-中值，中值-峰值，峰值-基值。
当电源系统工作在B模式时，包括四种状态，分别为B1、B2、B3、B4状态，每个状态依次包括基值阶段1、中值阶段、基值阶段2及峰值阶段；
基值阶段1电流较小，处于维弧阶段，中值阶段电流增大，熔滴开始出现并不断长大，之后又进入基值阶段2，电流减小，但基值阶段2电流与基值阶段1相等，此时已经形成的熔滴还未达到过渡的临界条件，熔滴大小基本保持不变，并且此时电磁力较小，不足以推动熔滴脱落，熔滴悬挂于焊丝末端，然后电流进入峰值阶段，电流增大，熔滴继续长大，电磁力也增大，熔滴在峰值阶段最后时刻脱离焊丝进入熔池；电源系统工作在B1状态时，主机电源和从机电源处于同步状态，主机熔滴和从机熔滴同时形成、长大和过渡；
所述电源系统工作在B2状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值1-峰值，中值-基值1，基值2-中值，峰值-基值2，温度场分布改变，温度梯度改变；
所述电源系统工作在B3状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值1-基值2，中值-峰值，基值2-基值1，峰值-中值，温度场分布改变，温度梯度改变；
所述电源系统工作在B4状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值1-中值，中值-基值2，基值2-峰值，峰值-基值1，温度分布不同，温度梯度也不同。
当电源系统工作在C模式时，包括三种工作状态，分别为C1、C2及C3状态，每个状态依次包括峰值阶段、中值阶段及基值阶段；
所述电源系统工作在C1状态时，主机电源和从机电源处于同步状态，主机熔滴和从机熔滴同时形成、长大和过渡；
所述电源系统工作在C2状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：峰值-基值，中值-峰值，基值-中值，温度分布改变，温度梯度改变；
所述电源系统工作在C3状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：峰值-中值，中值-基值及基值-峰值，温度分布改变，温度梯度改变。
当电源系统工作在D模式时，主机电源工作在前中值模式，从机电源工作在后中值模式，包括三种工作状态，分别为D1、D2及D3状态；
所述电源系统工作在D1状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值-峰值，中值-中值，峰值-基值；
所述电源系统工作在D2状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值-基值，中值-峰值，峰值-中值，温度场分布改变，温度梯度改变；
所述电源系统工作在D3状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值-中值，中值-基值，峰值-峰值，温度场分布改变，温度梯度改变。
本发明控制方法中，中值阶段电流比峰值阶段电流小，减少主机电源和从机电源电弧之间的相互干扰作用。
本发明的有益效果：
(1)通过不同阶段的电流组合，实现对焊接过程中熔滴过渡的精确控制，基值阶段处于维弧状态，中值阶段控制熔滴长大，峰值阶段电流较大，电磁力上升，推动熔滴脱落进入熔池。中值阶段电流较普通双丝脉冲MIG焊小，熔滴未达到过渡的临界条件，可以对熔滴的大小进行精确控制，并且可以有效减小双电弧之间的干扰，从而减小对熔滴过渡的影响，提高焊接过程的稳定性；
(2)通过不同相位的组合，在不改变同一脉冲周期中总的热输入的条件下，改变焊件的温度梯度，适应于不同热变形能力的材料的焊接，较小的焊后残余应力和变形；
(3)通过三阶段脉冲电流切换对熔池进行搅拌作用，细化晶粒，得到均匀而细小的焊后组织，同时加快气泡上浮的速率，减少气孔发生率；
(4)本发明可调参数更广，相对于传统双丝脉冲MIG焊，增加了主机电源和从机电源中值电流和中值时间4个可调参数，控制精度更高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2(a)-2(c)是本发明的前中值波形A1状态、A2状态及A3状态的原理图；
图3(a)-3(d)是本发明的中中值波形B1状态、B2状态、B3状态及B4状态的原理图；
图4(a)-4(c)是本发明的后中值波形C1状态、C2状态及C3状态的原理图；
图5(a)-5(c)是本发明的前后中值混合模式波形D1状态、D2状态及D3状态原理图；
图6(a)是本发明的人机界面控制方法流程图；
图6(b)是本发明的A和D模式控制方法流程图；
图6(c)是本发明的B模式控制方法流程图；
图6(d)是本发明的C模式控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种双丝中值脉冲MIG焊电源系统，包括三相交流输入电网、主机电源、从机电源、人机界面和电弧负载；
所述主机电源一端与三相交流输入电网连接，其另一端与电弧负载连接，所述从机电源一端与三相交流输入电网连接，其另一端与电弧负载连接；
所述主机电源和从机电源结构相同，均包括主电路、高频驱动模块、DSP控制模块、故障保护模块、电压电流检测模块；
所述主电路包括依次连接的输入整流滤波模块、逆变模块、降压变压器模块、输出整流滤波模块；所述主电路可以采用移相全桥软开关作为主电路的拓扑结构，根据实际生产也可以选择硬开关或者LLC谐振软开关作为主电路拓扑；
所述高频驱动模块一端与逆变模块连接，其另一端与DSP控制模块连接；
所述故障保护模块一端与三相交流输入电网连接，其另一端与DSP控制模块连接；
所述电压电流检测模块一端与电弧负载连接，其另一端与DSP控制模块连接；
所述故障保护模块包括相互连接的过压检测单元、欠压检测单元、过流检测单元和过温检测单元；
所述DSP控制模块采用TMS320F280049或TMS320F28379D数字信号处理器，该数字信号处理器可以输出脉冲宽度调制(Pulse width modulation,PWM)和脉冲频率调制(Pulse frequency modulation,PFM)信号，在硬开关时，调节PWM占空比，在移相全桥软开关时，调节PWM移相角，在LLC谐振软开关时，调节PFM频率，控制功率开关管的开通和关断时间，从而实现不同阶段脉冲电流输出；
所述人机界面与主机电源和从机电源的DSP控制模块连接，实现焊接参数的设定和实时显示；所述人机界面模块包括ARM芯片、控制器、驱动器和LCD屏；所述ARM芯片采用STM32F103ZET6；
所述主机电源DSP控制模块和从机电源DSP控制模块通过CAN现场总线交互通信，实现不同相位的脉冲切换，从而实现不同相位模式；
如图2(a)-2(c)所示，所述双丝中值脉冲MIG焊电源系统及其熔滴过渡控制方法，系统工作A模式时，基值阶段电流较小，不足以熔化焊丝，处于维弧阶段，中值阶段电流增大，焊丝熔化形成熔滴，但此时电流还未达到过渡的临界值，峰值阶段电流迅速上升，熔滴快速长大，电磁力和熔滴重力增大，熔滴脱离焊丝进入熔池。A模式有三种工作状态，分别为A1、A2、A3状态。
如图2(a)所示，所述电源系统工作在A1状态时，主机电源和从机电源同步输出前中值电流，熔滴同时形成、长大和脱落。主机电源和从机电源电流对应关系为：基值-基值，中值-中值，峰值-峰值。在T1阶段，主机电源和从机电源同时处于基值维弧阶段，未形成熔滴，在T2阶段，主机电源和从机电源同时进入中值阶段，主机电源和从机电源电流增大，熔滴开始出现并不断长大，在T3阶段，主机电源和从机电源同时进入峰值阶段，电磁力增大，主机熔滴和从机熔滴继续长大，并在峰值阶段结束时刻同时从焊丝末端脱落进入熔池。在A1状态下可以通过控制中值电流的大小或中值时间的长短，从而获得不同大小的熔滴，控制精度高。由于焊接不同的材料，例如铝合金或者钛合金，热输入突然过大或者过小，引起温度梯度增大，焊后变形严重，产生各种翘曲变形以及残余应力，影响力学性能。在A1状态时，基值、中值、峰值处于同步状态，基值阶段热输入小，峰值阶段热输入高，中值阶段热输入介于基值和峰值之间，引起温度梯度较大。因此，为了适应不同材料的焊接，可以使主机电源和从机电源之间相位错开。
如图2(b)所示，所述电源系统工作在A2状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值-峰值，中值-基值，峰值-中值，温度场分布改变，温度梯度改变，温度梯度降低，构件变形减小。在T1阶段，主机电源处于基值阶段，电流较小，未形成熔滴，处于维弧阶段，从机电源处于峰值阶段，从机熔滴不断长大并在峰值阶段最后时刻脱落进入熔池；在T2阶段，主机电源处于中值阶段，主机熔滴开始出现并不断长大，从机电源处于基值阶段，电流较小，未形成熔滴，处于维弧阶段；在T3阶段，主机电源进入峰值阶段，主机熔滴不断长大并在峰值阶段最后时刻脱离焊丝进入熔池，从机电源处于中值阶段，熔滴开始出现并不断长大，如此往复。
如图2(c)所示，当电源系统工作在A3状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值-中值，中值-峰值，峰值-基值，温度分布不同，温度梯度也不同。在T1阶段，主机电源处于基值阶段，电流较小，未形成熔滴，处于维弧阶段，从机电源处于中值阶段，熔滴开始出现并不断长大；在T2阶段，主机电源处于中值阶段，熔滴开始出现并不断长大，从机电源处于峰值阶段，从机熔滴继续长大并在峰值阶段最后时刻从焊丝末端脱落进入熔池；在T3阶段，主机电源处于峰值阶段，电流较大，主机熔滴继续长大并在峰值阶段最后时刻脱离焊丝末端进入熔池，从机电源处于基值阶段，电流较小，未形成熔滴，处于维弧阶段，如此往复。
如图3(a)-3(d)所示，所述双丝中值脉冲MIG焊电源系统及其熔滴过渡控制方法，系统工作在B模式时，基值阶段1电流较小，处于维弧阶段，中值阶段电流增大，熔滴开始出现并不断长大，之后又进入基值阶段2，电流减小，但基值阶段2电流与基值阶段1相等，此时已经形成的熔滴还未达到过渡的临界条件，熔滴大小基本保持不变，并且此时电磁力较小，不足以推动熔滴脱落，熔滴悬挂于焊丝末端，然后电流进入峰值阶段，电流增大，熔滴继续长大，电磁力也增大，熔滴在峰值阶段最后时刻脱离焊丝进入熔池。所述电源系统工作在B模式时，增加了一段时间T4，熔滴过渡周期比A模式更长，在相同时间内热输入量更小，熔敷效率更低。所述电源系统工作在B模式时，工作在4种工作状态，分别为B1、B2、B3、B4状态。
如图3(a)所示，所述电源系统工作在B1状态时，主机电源和从机电源处于同步状态，主机熔滴和从机熔滴同时形成、长大和过渡，在T1阶段，主机电源和从机电源处于基值阶段1，电流较小，热输入较少，未形成熔滴；在T2阶段，主机电源和从机电源进入中值阶段，热输入增大，主机熔滴和从机熔滴开始出现并同时长大；在T3阶段，主机电源和从机电源进入基值阶段2，电流减小，热输入减少，熔滴大小基本不变，悬挂于焊丝末端；在T4阶段，主机电源和从机电源进入峰值阶段，电流增大，主机熔滴和从机熔滴不断长大并在峰值阶段最后时刻同时脱离焊丝开始向熔池运动，如此往复。
如图3(b)所示，所述电源系统工作在B2状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值1-峰值，中值-基值1，基值2-中值，峰值-基值2，温度场分布改变，温度梯度改变。在T1阶段，主机电源处于基值阶段1，电流较小，热输入较小，未形成熔滴，从机电源处于峰值阶段，熔滴不断长大并在峰值阶段最后时刻从焊丝末端脱落飞向熔池；在T2阶段，主机电源处于中值阶段，电流增大，热输入增加，熔滴开始出现并不断长大，从机电源处于基值阶段1，电流较小，热输入较少，未形成熔滴，处于维弧阶段；在T3阶段，主机电源处于基值阶段2，电流减小，热输入较少，熔滴大小基本不变，处于维弧阶段，从机电源处于中值阶段，电流增加，热输入增大，熔滴开始出现并不断长大；在T4阶段，主机电源处于峰值阶段，主机熔滴不断长大并在峰值阶段最后时刻从焊丝末端脱落进入熔池，从机电源处于基值阶段2，电流减小，热输入减少，熔滴大小基本不变，悬挂于焊丝末端，处于维弧阶段，如此往复。
如图3(c)所示，所述电源系统工作在B3状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值1-基值2，中值-峰值，基值2-基值1，峰值-中值，温度场分布改变，温度梯度改变。在T1阶段，主机电源处于基值阶段1，电流较小，热输入较少，未形成熔滴，处于维弧阶段，从机电源处于基值阶段2，电流减小，热输入减少，熔滴大小基本不变，悬挂于焊丝末端，处于维弧阶段；在T2阶段，主机电源处于中值阶段，电流增大，热输入增加，熔滴开始出现并不断长大，从机电源处于峰值阶段，电流较大，电磁力较大，熔滴不断长大并在峰值阶段最后时刻脱离焊丝飞向熔池；在T3阶段，主机电源处于基值阶段2，电流较小，热输入减少，熔滴大小基本不变，处于维弧阶段，从机电源处于基值阶段1，电流较小，热输入较少，未形成熔滴，处于维弧阶段；在T4阶段，主机电源处于峰值阶段，电流较大，热输入较大，电磁力较大，主机熔滴不断长大并于峰值阶段最后时刻脱离焊丝而飞向熔池，从机电源处于中值阶段，电流增大，热输入增加，从机熔滴开始出现并不断长大，如此往复。
如图3(d)所示，所述电源系统工作在B4状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值1-中值，中值-基值2，基值2-峰值，峰值-基值1，温度分布不同，温度梯度也不同。在T1阶段，主机电源处于基值阶段1，电流较小，热输入较少，未形成熔滴，处于维弧阶段，从机电源处于中值阶段，电流增大，热输入增加，熔滴开始出现并不断长大；在T2阶段，主机电源处于中值阶段，电流增大，热输入增加，熔滴开始出现并不断长大，从机电源处于基值阶段2，电流减小，热输入减少，熔滴大小基本不变，处于维弧阶段；在T3阶段，主机电源处于基值阶段2，电流减小，热输入减少，熔滴大小基本不变，处于维弧阶段，从机电源处于峰值阶段，电流较大，电磁力较大，熔滴不断长大并在峰值阶段最后时刻脱落焊丝而向熔池运动；在T4阶段，主机电源处于峰值阶段，电流较大，电磁力较大，熔滴不断长大并在峰值阶段最后时刻脱离焊丝而向熔池运动，从机电源处于基值阶段1，电流较小，热输入较少，未形成熔滴。
如图4(a)-4(c)所示，所述双丝中值脉冲MIG焊电源系统及其熔滴过渡控制方法，系统工作在C模式时，峰值阶段电流较大，熔滴快速长大并于峰值阶段最后时刻脱离焊丝过渡到熔池中去，中值阶段电流减小，新的熔滴开始出现并不断长大，此时中值电流还较大，整个区域温度较高，促使熔池内液体流动较快，有助于获得均匀的焊缝组织。基值阶段电流较小，熔滴长大速度变得非常缓慢，大小基本保持不变。在C模式时，过渡的熔滴主要受到前一周期中值阶段和本周期峰值阶段能量的影响，而A模式过渡的熔滴主要受到本周期中值阶段和峰值阶段能量的影响。在C模式中值阶段高温作用下可以使熔滴和熔池混合均匀，而在A模式熔滴过渡之后立刻进入基值阶段，整个区域温度快速降低，熔池的流动性减弱。所述电源系统工作在C模式时，工作在3种工作状态，分别为C1、C2、C3状态。
如图4(a)所示，所述电源系统工作在C1状态时，主机电源和从机电源处于同步状态，主机熔滴和从机熔滴同时形成、长大和过渡；在T1阶段，主机电源和从机电源同时处于峰值阶段，电流较大，热输入较大，电磁力较大，熔滴快速长大并于峰值阶段最后时刻脱离焊丝进入熔池；在T2阶段，主机电源和从机电源同时处于中值阶段，电流减小，热输入减少，但中值电流加热作用可以加速熔池流动，有助于过渡的熔滴与熔池混合均匀，此时新的熔滴开始出现并不断长大，为下一周期熔滴过渡做准备；在T3阶段，主机电源和从机电源同时处于基值阶段，电流较小，热输入较小，熔滴大小基本不变，处于维弧阶段，如此往。
如图4(b)所示，所述电源系统工作在C2状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：峰值-基值，中值-峰值，基值-中值，温度分布改变，温度梯度改变。在T1阶段，主机电源处于峰值阶段，电流较大，热输入较大，熔滴快速长大并于峰值阶段最后时刻脱离焊丝向熔池过渡，从机电源处于基值阶段，电流较小，热输入较少，熔滴大小基本不变，处于维弧阶段；在T2阶段，主机电源处于中值阶段，电流减小，热输入减少，新的熔滴开始出现并不断长大，并且中值电流加热作用促使熔池流动较快，有助于过渡的熔滴与熔池混合均匀，从机电源处于峰值阶段，电流较大，热输入较大，熔滴快速长大并于峰值阶段最后时刻脱离焊丝进入熔池；在T3阶段，主机电源处于基值阶段，电流较小，热输入较小，熔滴大小基本不变，处于维弧阶段，从机电源处于中值阶段，电流减小，热输入减少，新的熔滴开始出现并不断长大，并且中值电流加热作用促使熔池流动较快，有助于过渡的熔滴与熔池混合均匀，如此往复。
如图4(c)所示，所述电源系统工作在C3状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：峰值-中值，中值-基值，基值-峰值，温度分布改变，温度梯度改变。在T1阶段，主机电源处于峰值阶段，电流较大，热输入大，熔滴快速长大并于峰值阶段最后时刻脱离焊丝向熔池过渡，从机电源处于中值阶段，电流减小，热输入减少，新的熔滴开始出现并不断长大，并且中值电流加热作用促使熔池流动较快，有助于过渡的熔滴与熔池混合均匀；在T2阶段，主机电源处于中值阶段，电流减小，热输入减少，新的熔滴开始出现并不断长大，并且中值电流加热作用促使熔池流动均匀，有助于过渡的熔滴与熔池混合均匀，从机电源处于基值阶段，电流较小，热输入较少，熔滴大小基本不变，处于维弧阶段；在T3阶段，主机电源处于基值阶段，电流较小，热输入较小，熔滴大小基本不变，从机电源处于峰值阶段，电流较大，热输入较大，熔滴快速长大并于峰值阶段最后时刻脱离焊丝进入熔池，如此往复。在C模式时，形成的熔滴大小与B模式基本一致，但C模式减少了一个基值时间，在一个脉冲周期中，总的热输入减小，形成的焊缝组织晶粒更细小。
如图5(a)-5(c)所示，所述双丝中值脉冲MIG焊电源系统及其熔滴过渡控制方法，系统工作在D模式时，主机电源工作在前中值模式，从机电源工作在后中值模式，主机电源工作模式与A模式相似，从机电源工作模式与C模式相同，结合了A和C两种工作模式的优点。所述电源系统工作在D模式时，工作在3种工作状态，分别为D1、D2、D3状态。
如图5(a)所示，所述电源系统工作在D1状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值-峰值，中值-中值，峰值-基值，温度场分布更均匀，温度梯度较小。在T1阶段，主机电源处于基值阶段，电流较小，热输入较小，未形成熔滴，处于维弧阶段，从机电源处于峰值阶段，电流较大，热输入较大，电磁力较大，熔滴快速长大并于峰值阶段最后时刻脱离焊丝落向熔池；在T2阶段，主机电源处于中值阶段，电流增大，热输入增加，熔滴开始出现并不断长大，从机电源处于中值阶段，电流减小，热输入减少，新的熔滴开始出现并不断长大，并且中值电流加热作用促使熔池流动较快，有助于过渡的熔滴与熔池混合均匀；在T3阶段，主机电源处于峰值阶段，电流较大，热输入较大，电磁力较大，熔滴快速长大并于峰值阶段最后时刻脱离焊丝进入熔池，从机电源处于基值阶段，电流较小，热输入较小，熔滴大小基本不变，处于维弧阶段，如此往复。在D1工作状态，每一阶段热输入基本相同，构件温度梯度小，因此焊后变形小。
如图5(b)所示，所述电源系统工作在D2状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值-基值，中值-峰值，峰值-中值，温度场分布改变，温度梯度改变。在T1阶段，主机电源处于基值阶段，电流较小，热输入较少，未形成熔滴，处于维弧阶段，从机电源处于基值阶段，电流较小，热输入较少，熔滴大小基本不变，处于维弧阶段；在T2阶段，主机电源处于中值阶段，电流增加，热输入增大，熔滴开始出现并不断长大，从机电源处于峰值阶段，电流较大，热输入较大，电磁力较大，熔滴快速长大并于峰值阶段最后时刻脱离焊丝进入熔池；在T3阶段，主机电源处于峰值阶段，电流较大，热输入较大，电磁力较大，熔滴快速长大并于峰值阶段最后时刻脱离焊丝进入熔池，从机电源处于中值阶段，电流减小，热输入减少，新的熔滴开始出现并不断长大，并且中值电流加热作用促使熔池流动较快，有助于过渡的熔滴与熔池混合均匀，如此往复。
如图5(c)所示，所述电源系统工作在D3状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值-中值，中值-基值，峰值-峰值，温度场分布改变，温度梯度改变。在T1阶段，主机电源处于基值阶段，电流较小，热输入较少，未形成熔滴，处于维弧阶段，从机电源处于中值阶段，电流减小，热输入减少，新的熔滴开始出现并不断长大，并且中值电流加热作用促使熔池流动较快，有助于过渡的熔滴与熔池混合均匀；在T2阶段，主机电源处于中值阶段，电流增大，热输入增加，熔滴开始出现并不断长大，从机电源处于基值阶段，电流较小，热输入较少，熔滴大小基本保持不变，处于维弧阶段；在T3阶段，主机电源处于峰值阶段，电流较大，热输入较大，电磁力较大，熔滴快速长大并于峰值阶段最后时刻脱离焊丝进入熔池，从机电源处于峰值阶段，电流较大，热输入较大，电磁力较大，熔滴快速长大并于峰值阶段最后时刻脱离焊丝进入熔池，如此往复。
如图6(a)-6(d)所示是本发明的控制方法流程图，其控制方法如下：
人机界面和DSP控制模块初始化后不断交互通信，人机界面不断检测焊枪开关是否闭合。若焊枪开关闭合则发送中值模式指令，然后人机界面检测是否收到中值模式确认信号，若未收到中值模式确认信号则继续发送中值模式指令，若收到中值模式确认信号则发送引弧指令，开启气阀提前送气，慢送丝引弧。DSP控制模块和人机界面模块通过CAN通信，DSP控制模块检测是否收到人机界面模块发送过来的中值模式指令，若收到中值模式指令则发送中值模式确认信号，然后检测是否收到引弧指令，若未收到中值模式指令则继续等待人机界面模块下一次指令。若收到引弧指令则执行引弧控制，否则继续等待人机界面模块下一次指令；
DSP控制模块收到来自人机界面模块的引弧指令后，进入引弧控制阶段，此时主机电源和从机电源同步输出峰值电流，DSP控制模块判断是否发生故障，如果发生故障则发送故障信号给人机界面模块，如果未发生故障则检测电流是否超过一定阈值，若未超过阈值，则继续执行引弧控制，若超过一定阈值，判断引弧成功，发送引弧成功指令给人机界面，人机界面判断是否收到DSP控制模块的故障信号，若收到故障信号则关闭所有输出并停止送丝送气，若未收到故障信号则判断是否收到引弧成功指令，如果收到引弧成功指令则发送脉冲循环指令，如果未收到引弧成功指令则继续慢送丝引弧，DSP控制模块检测是否收到人机界面模块脉冲循环指令，若收到脉冲循环指令则进入脉冲基值、脉冲中值和脉冲峰值输出切换时序控制以及不同相位切换控制，同时根据人机界面模块设定的脉冲参数实现主机电源和从机电源输出电流的恒流控制；
在焊接过程中，DSP控制模块不断检测是否发生故障，如果发生故障则关闭输出并发送故障信号给人机界面，如果未发生故障则判断是否收到收弧指令，若收到收弧指令则执行收弧控制，若未收到收弧指令则继续执行脉冲循环指令；人机界面不断检测是否收到故障信号，若收到故障信号则关闭所有输出并停止送丝送气，若未收到故障信号则判断焊枪开关是否闭合，如果焊枪开关闭合则继续与DSP控制模块通信检测故障信号，如果焊枪开关断开，人机界面向DSP控制模块发送收弧指令，并停止送丝，DSP控制模块执行收弧控制后人机界面停止送气进入待机状态。
本发明基值阶段维持电弧燃烧，中值阶段控制熔滴长大，峰值阶段电磁力上升，推动熔滴脱落进入熔池。中值脉冲可分为三种波形，分别为前中值、中中值和后中值。每一种中值波形各有特点，前中值在基值阶段电流较小，主要维持电弧燃烧，在中值阶段热输入增加，熔滴长大，此时中值电流小于产生喷射过渡的临界值，熔滴不发生过渡，这有利于对熔滴的长大进行控制，当熔滴的大小达到一定的尺寸时，此时进入脉冲峰值阶段，电流大于产生喷射过渡的临界值，促使熔滴与焊丝分离，分离之后进入脉冲基值阶段，进入下一脉冲周期；中中值时，在基值-中值阶段，熔滴长大后还未达到过渡的临界条件，悬挂于焊丝末端，在基值-峰值阶段，熔滴脱离焊丝而进入熔池；后中值时，在基值-峰值阶段，电流在极短的时间内增加到过渡的临界值，并促使熔滴过渡到熔池，所过渡的熔滴是受到前一脉冲周期后中值影响所致。中值阶段不仅给下一脉冲周期所过渡的熔滴提供能量，促使熔滴长大，而且有助于提高熔池的流动性，提高焊接质量。
为了提高焊接过程稳定性，精确控制熔滴过渡过程，一种双丝中值脉冲MIG焊电源系统是一种行之有效的方法，结合了双丝焊熔敷效率高、中值脉冲对熔滴过渡精确控制以及三阶段脉冲切换搅拌熔池的优点，有效提高焊接效率和焊接质量，得到细小而均匀的焊缝组织。
本发明可以任意调节基值电流Ib、基值时间tb、中值电流Im、中值时间tm、峰值电流Ip、峰值时间tp，优化焊接过程的热输入，提高熔滴过渡的控制精度，同时通过三阶段脉冲切换对熔池进行搅拌作用，细化晶粒组织，加快气泡上浮速率，从而减少气孔的发生率，以适应不同材料的焊接。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双丝中值脉冲MIG焊电源系统，其特征在于，包括三相交流输入电网、主机电源、从机电源、人机界面和电弧负载；
所述主机电源一端与三相交流输入电网连接，其另一端与电弧负载连接，所述从机电源一端与三相交流输入电网连接，其另一端与电弧负载连接；
所述主机电源和从机电源结构相同，均包括主电路、高频驱动模块、DSP控制模块、故障保护模块及电压电流检测模块；
所述主电路包括依次连接的输入整流滤波模块、逆变模块、降压变压器模块及输出整流滤波模块；
所述高频驱动模块一端与逆变模块连接，其另一端与DSP控制模块连接；
所述故障保护模块一端与三相交流输入电网连接，其另一端与DSP控制模块连接；
所述电压电流检测模块一端与电弧负载连接，其另一端与DSP控制模块连接；
所述主机电源的DSP控制模块和从机电源DSP控制模块通过CAN现场总线交互通信；
还包括人机界面模块，所述人机界面分别与主机电源和从机电源的DSP控制模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种双丝中值脉冲MIG焊电源系统，其特征在于，所述人机界面模块用于实现焊接参数的设定和实时显示，包括ARM芯片、控制器、驱动器和LCD屏；所述ARM芯片采用STM32F103ZET6。
3.根据权利要求1所述的一种双丝中值脉冲MIG焊电源系统，其特征在于，所述主机电源的DSP控制模块和从机电源的DSP控制模块，均采用TMS320F280049或TMS320F28379D数字信号处理器，数字信号处理器输出脉冲宽度调制信号，在硬开关时，调节PWM占空比，在移相全桥软开关时，调节PWM移相角，在LLC谐振软开关时，调节PFM频率，控制功率开关管的开通和关断时间，从而实现不同阶段脉冲电流输出。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的双丝中值脉冲MIG焊电源系统的控制方法，其特征在于，通过人机界面与主机电源和从机电源DSP控制模块之间的交互通信，实现对主机电源和从机电源的协同控制，使得焊接电源系统进入中值模式工作，实现对熔滴过渡的精确控制。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述中值模式包括前中值模式、中中值模式、后中值模式及前后中值混合模式，并分别用A代表前中值模式，B代表中中值模式，C代表后中值模式，D代表前后中值混合模式。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，当系统工作在A模式时，包括三种工作状态，分别为A1、A2及A3状态，每个状态依次经历包括基值阶段、中值阶段及峰值阶段，所述基值阶段电流较小，不足以熔化焊丝，处于维弧阶段，中值阶段电流增大，焊丝熔化形成熔滴，但此时电流还未达到过渡的临界值，峰值阶段电流迅速上升，熔滴快速长大，电磁力和熔滴重力增大，熔滴脱离焊丝进入熔池；
所述电源系统工作在A1状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值-基值，中值-中值，峰值-峰值；
所述电源系统工作在A2状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值-峰值，中值-基值，峰值-中值；
所述电源系统工作在A3状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值-中值，中值-峰值，峰值-基值。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，当电源系统工作在B模式时，包括四种状态，分别为B1、B2、B3、B4状态，每个状态依次包括基值阶段1、中值阶段、基值阶段2及峰值阶段；
基值阶段1电流较小，处于维弧阶段，中值阶段电流增大，熔滴开始出现并不断长大，之后又进入基值阶段2，电流减小，但基值阶段2电流与基值阶段1相等，此时已经形成的熔滴还未达到过渡的临界条件，熔滴大小基本保持不变，并且此时电磁力较小，不足以推动熔滴脱落，熔滴悬挂于焊丝末端，然后电流进入峰值阶段，电流增大，熔滴继续长大，电磁力也增大，熔滴在峰值阶段最后时刻脱离焊丝进入熔池；
所述电源系统工作在B1状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值1-基值1，中值-中值，基值2-基值2，峰值-峰值；
所述电源系统工作在B2状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值1-峰值，中值-基值1，基值2-中值，峰值-基值2，温度场分布改变，温度梯度改变；
所述电源系统工作在B3状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值1-基值2，中值-峰值，基值2-基值1，峰值-中值，温度场分布改变，温度梯度改变；
所述电源系统工作在B4状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值1-中值，中值-基值2，基值2-峰值，峰值-基值1，温度分布不同，温度梯度也不同。
8.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，当电源系统工作在C模式时，包括三种工作状态，分别为C1、C2及C3状态，每个状态依次包括峰值阶段、中值阶段及基值阶段；
所述电源系统工作在C1状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：峰值-峰值，中值-中值，基值-基值；
所述电源系统工作在C2状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：峰值-基值，中值-峰值，基值-中值，温度分布改变，温度梯度改变；
所述电源系统工作在C3状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：峰值-中值，中值-基值及基值-峰值，温度分布改变，温度梯度改变。
9.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，当电源系统工作在D模式时，主机电源工作在前中值模式，从机电源工作在后中值模式，包括三种工作状态，分别为D1、D2及D3状态；
所述电源系统工作在D1状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值-峰值，中值-中值，峰值-基值；
所述电源系统工作在D2状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值-基值，中值-峰值，峰值-中值，温度场分布改变，温度梯度改变；
所述电源系统工作在D3状态时，主机电源和从机电源电流对应关系为：基值-中值，中值-基值，峰值-峰值，温度场分布改变，温度梯度改变。
10.根据权利要求6-9任一项所述的控制方法，其特征在于，中值阶段电流比峰值阶段电流小，减少主机电源和从机电源电弧之间的相互干扰作用；且本控制方法可以任意调节基值电流Ib、基值时间tb、中值电流Im、中值时间tm、峰值电流Ip、峰值时间tp，优化焊接过程的热输入，提高熔滴过渡的控制精度，同时通过三阶段脉冲切换对熔池进行搅拌作用，细化晶粒组织，加快气泡上浮速率，从而减少气孔的发生率，以适应不同材料的焊接。
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