CN111360365A - 微电弧点焊控制系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种微电弧点焊控制系统，包括：电源、激光器、控制器以及焊枪；所述控制器分别与所述电源以及所述激光器连接，所述电源的正极与待焊接工件连接，负极与所述焊枪连接；所述控制器控制激光器输出第一脉冲对所述焊枪的电极进行预热处理；所述控制器控制电源输出第二脉冲调节焊枪的电弧波形对待焊接工件进行焊接。上述微电弧点焊控制系统，通过激光器提前对所述焊枪的电极进行预热处理，约束电弧形貌呈密集光束状，电弧横截面窄，电弧斑点集中作用于待焊接工件，使电弧更加稳定，提高焊枪的焊接效果。

Description

微电弧点焊控制系统
技术领域
本申请涉及微连接技术领域，特别是涉及微电弧点焊控制系统。
背景技术
随着我国人口老龄化的进程加剧，针对老年人易患疾病的可植入医疗器件的需求也日益增多，如心脏起搏器、耳蜗植入装置、血管支架等。植入器件尺寸很小，并且在人体内工作，因此要求采用细小并且具有生物相容性、耐腐蚀的材料及高可靠性的连接工艺。尺寸的细小化及功能性要求对材料本身是一种挑战，同时也给连接技术提出了更高的要求。
植入式医疗器件常采用的微连接方法主要包括微激光焊和微电阻焊等。微激光焊具有热输入精密可控、热影响区小、非接触加工、无交叉污染，易实现自动化的优点，然而激光设备的高成本限制了其应用推广。微电阻焊具有设备成本低、接头可靠、生产效率高等优点，但也存在飞溅、电极粘接、不适用于异种材料焊接等不足。微电弧焊接是介于TIG焊与微束等离子弧焊之间的新型精密焊接方法，近年来其在植入式医疗器件中使用也越来越广泛。
植入式医疗器件微电弧焊接工艺中采用的电流一般小于5A，时间一般小于50ms，这对无压缩效应的自由电弧的稳定性和一致性提出了巨大的挑战。目前自由电弧稳定的临界电流值为5A，电弧从击穿到稳定的调节时间大于200ms，且存在明显的电流过冲(约50A)，这显然无法满足植入式医疗器件精密焊接的要求。为提高小电流电弧稳定性，常采用高空载电压方法，但空载电压过高会对操作者带来安全隐患，同时使电流调节分辨率降低。此外，还可通过电弧压缩和非转移弧辅助的方法提高电弧能量密度，从而提高电弧稳定性，然而这对焊枪的要求较高，设备成本也陡增。
发明内容
本申请实施例提供了一种涉及微电弧点焊控制系统，以至少解决相关技术中传统电弧控制不稳定的问题。
一种微电弧点焊控制系统，包括：电源、激光器、控制器以及焊枪；
所述控制器分别与所述电源以及所述激光器连接，所述电源的正极与待焊接工件连接，负极与所述焊枪连接；
所述控制器控制激光器输出第一脉冲对所述焊枪的电极进行预热处理；所述控制器控制电源输出第二脉冲调节焊枪的电弧波形对待焊接工件进行焊接。
在其中一个实施例中，焊枪还包括通过管道连接的气体发生器以及喷嘴，
所述气体发生器通过所述喷嘴向焊接区域释放保护气体，其中，所述焊接区域为焊枪的电极与待焊接工件所在的区域。
在其中一个实施例中，所述焊枪包括焊枪本体和电极；所述电极包括第一电极段和第二电极段；
所述第一电极段为圆柱状，所述第二电极段为锥形；
所述第一电极段一端与所述第二电极段的底面连接，另一端与焊枪本体连接。
在其中一个实施例中，所述第二电极段的尖端的夹角为20°～60°。
在其中一个实施例中，所述电极为钨电极。
在其中一个实施例中，所述控制器用于：
获取工件参数，并生成对应的激光控制参数和电源调节参数；
将所述激光控制参数传输至所述激光器，以使激光器根据所述激光控制参数生成第一脉冲，以第一脉冲对所述焊枪的电极进行预热；
预热处理结束后，将所述电源调节参数传输至电源，以使电源根据所述电源调节参数生成第二脉冲，以第二脉冲调节焊枪的电弧波形对待焊接工件进行焊接。
在其中一个实施例中，所述第二脉冲包括调制电脉冲以及无调制电脉冲；
所述电源根据所述调制电脉冲进行焊接电弧能量调节；
所述电源根据所述无调制电脉冲进行保温电弧能量调节。
在其中一个实施例中，所述控制器检测电源输出调制电脉冲的第一脉冲值；当所述第一脉冲值到达第一预设阈值时，控制焊枪对焊接工件进行焊接。
在其中一个实施例中，所述控制器检测电源输出无调制电脉冲的第二脉冲值；当所述第二脉冲值到达第二预设阈值时，控制焊枪对焊接工件进行保温。
在其中一个实施例中，所述控制器还包括霍尔传感器，所述霍尔传感器与所述电源连接，用于采集电源的运行信息。
上述微电弧点焊控制系统，通过激光器提前对所述焊枪的电极进行预热处理，约束电弧形貌呈密集光束状，电弧横截面窄，电弧斑点集中作用于待焊接工件，使电弧更加稳定，提高焊枪的焊接效果，采用微电弧进行点焊，电源空载电压低，能够进行精准调整，降低设备成本。
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明一实施例中微电弧点焊控制系统的模块示意图；
图2为图1微电弧点焊控制系统中激光器预热后电弧形貌的效果对比图；
图3为本发明一实施例微电弧点焊控制系统中控制器的模块示意图；
图4为图1微电弧点焊控制系统中电源输出的第一脉冲和第二脉冲的波形示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
如图1所示，图1为本发明一实施例中微电弧点焊控制系统的模块示意图。
所述微电弧点焊控制系统包括：电源10、激光器20、控制器30以及焊枪40。具体地，所述控制器30分别与所述电源10以及所述激光器20连接，所述电源10的正极与待焊接工件连接，负极与所述焊枪40连接。所述控制器30控制激光器20输出第一脉冲对所述焊枪40的电极410进行预热处理；所述控制器30控制电源10输出第二脉冲调节焊枪40的电弧波形对待焊接工件进行焊接。在本实施例中，所述激光器20为光纤激光器，所述第一脉冲为高斯光束，光纤激光器采用1kW级单模激光器，通过光学构成获得最合适的高斯光束，满足搭配极细光纤入射并获得极小焊点的需求。电源10为微电弧点焊电源10，所述第二脉冲为调制电脉冲和无调制电脉冲。在电极410和工件两端施加高频高压引弧的第二脉冲，在强电场作用下电极410的电子逸出，电弧通道建立，在电源10输出电压的作用下电弧形成，实现对工件的焊接。其中，电源输出的调制脉冲，采用脉宽调制技术(Pulse width modulation)，脉宽调制(PWM)基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。光纤激光器(Fiber Laser)是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。微电弧点焊技术采用断续的高能电容放电脉冲，在电极和工件之间形成瞬时电弧,使修补材料和工件迅速熔结在一起,达到冶金结合。该技术能精确储存焊接能量，可以确保高重复的焊接质量，功率调节通常可以控制焊点尺寸，时间调节可以影响焊接深度。微电弧点焊电源输出的高能脉冲能量集中、作用时间短,产生的瞬时电弧使得热影响区金属过热比较小,实现了失效表面“冷弧"修复,有效地避免了零件在其它焊修时产生的退火、形变。同时在焊补过程中有氩气保护,防止了空气对电极、熔池及邻近热影响区的有害影响。得到的熔覆层致密,结合强度高,修复成形好，抗疲劳性能等较好。可修复薄壁和尖棱角，只要视野可及之处，均可修复。可手动、可自动。微电弧焊接提供非常大的灵活性，功率调节通常可以控制焊点尺寸，时间调节可以影响焊接深度。另外功率也可以用于控制焊接电流和热量，时间可以理解为焊接电流或是加热的时间。焊接输出的脉冲会有较平滑的焊接电流下降。
可选地，所述焊枪40还包括通过管道连接的气体发生器50以及喷嘴。具体地，所述气体发生器50通过所述喷嘴向焊接区域释放保护气体，保护气体从气体发生器50经管道输入喷嘴输出，向电极410和工件的焊接区域排出保护气体形成特定的保护环境。其中，所述焊接区域为焊枪40的电极410与待焊接工件所在的区域。所述保护气体包括氩气和氦气中至少一种。在本实施例中，所述喷嘴为陶瓷喷嘴。
可选地，所述焊枪40包括焊枪40本体和电极410，所述电极410包括第一电极段和第二电极段。具体地，所述第一电极段为圆柱状，所述第二电极段为锥形，锥形的第二电极段具有一个尖端，能够使引弧更加容易和提高电弧稳定性。所述第一电极段一端与所述第二电极段的底面连接，另一端与焊枪40本体连接。进一步地，所述第一电极段为圆柱，所述第二电极段为圆锥，所述第一电极段的圆柱底面与所述第二电极段的圆锥底面连接，所述圆锥的尖端的夹角为20°～60°。所述第一电极410呈圆柱状能够降低电极410烧损速度，提高引弧成功率，所述电极410的直径范围在0.2mm～5mm，因微电弧的电流小，需要选用小直径的电极。在本实施例中，所述电极410为钨电极410，直径为1.6mm，尖端的夹角为30°。可以理解，所述直径和夹角也可以为其他尺寸。
可选地，所述控制器30用于获取工件参数，并生成对应的激光控制参数和电源10调节参数；将所述激光控制参数传输至所述激光器20，以使激光器20根据所述激光控制参数生成第一脉冲，以第一脉冲对所述焊枪40的电极410进行预热；预热处理结束后，将所述电源10调节参数传输至电源10，以使电源10根据所述电源10调节参数生成第二脉冲，以第二脉冲调节焊枪40的电弧波形对待焊接工件进行焊接。焊枪40在焊接开始时，由于电弧空间的气体、电极410和工件都处于冷态，同时保护气体的电离势较高，又有氩气流的冷却作用，引弧困难。通过激光器20的激光入射角将电极410的断面进行预热，大大降低引弧难度，有利于提高电弧稳定性，同时利用激光束对电极410发出的电弧斑点进行精准定位，在特定的地方优先诱导电弧建立，有效抑制自由电弧的电弧蔓延现象，有利于提高电弧密度，保证电流电弧稳定性。当电极410处于热稳态，关闭激光器20，控制电源10对第二脉冲进行控制。
如图2所示，在相同电弧电流条件下，进行激光诱导效果进行对比分析。无激光诱导时，电极410输出的电弧形貌呈钟罩形状，电弧横截面宽，电弧斑点从根部蔓延至侧边，熔池呈宽而浅特征；而有激光诱导时，电极410输出的电弧形貌呈密集光束状，电弧横截面窄，电弧斑点集中在根部平台，电弧挺度极好，熔池呈细而深特征。仔激光诱导作用下，电弧特性从自由电弧的扩散特性转变为压缩电弧的集束特性，电弧呈现明显的柔性特征。其中，熔池是指因焊弧热而熔化成池状的母材部分，熔焊时焊件上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分叫做熔池。
如图3所示，所述控制器30还包括霍尔传感器70，所述霍尔传感器70与所述电源10连接，用于采集所述电源10的运行信息。具体地，所述霍尔传感器70包括电压传感器和电流传感器，所述电压传感器用于采集所述电源10的电压信息，所述电流传感器用于采集所述电源10的电流信息。
所述控制器30还包括控制核心60、通讯接口电路92、输入/输出接口电路91以及显示屏80。具体地，显示屏80主要用于焊接工艺过程中参数的设置、显示和焊接过程中电压信息和电流信息的实时显示，所述显示屏80与所述控制核心60通过RS485串口实现数据传输。控制核心60通过串口、以太网等通讯方式将设置的激光控制参数和电源10调节参数经输入/输出接口电路91传输给控制器30，同时接收控制器30反馈回的数据信息。所述霍尔传感器70与所述控制核心60连接，将采集的电压信息和/或电流信息发送至所述控制核心60，所述控制核心60将电压信息和/或电流信息通过所述显示屏以图像和/或文字的方式呈现。此外，控制核心60还可通过输入/输出接口电路91实现对控制器30的控制。在本实施例中，所述控制核心为DSP(digital signal processing)控制核心，主要用于数值计算的方式对信号进行加工，即数字信号处理器。由大规模或超大规模集成电路芯片组成的用来完成某种信号处理任务的处理器。它是为适应高速实时信号处理任务的需要而逐渐发展起来的。随着集成电路技术和数字信号处理算法的发展，数字信号处理器的实现方法也在不断变化，处理功能不断提高和扩大。所述控制核心60为STM32F767芯片，STM32F767芯片为STMicroelectronics STM32F7 32位MCU+FPU采用高性能
Figure BDA0002432678490000071
32位RISC内核，工作频率高达216MHz。Cortex-M7内核具有单浮点单元(SFPU)精度，支持所有的ARM单精度数据处理指令和数据类型，还能实现完整的DSP指令集和增强应用安全性的存储器保护单元(MPU)。所述显示屏80为TK6071iP型触摸屏，TK6071iP型触摸屏为威纶通7寸触摸屏，TK6071iP内置528MHz高速处理器，1600万色的高彩度显示，内置电源隔离保护，有效抑制电源突波保护电源。提供宽输入电压设计(10.5～28VDC)，使用EasyBuilder Pro(V5.07.01或以上版本)软件编程，提供更精致的画面设计。采用Micro USB连接器，插拔次数高达1万次以上，可大幅减少来自垂直或水平压力的损坏。
如图4所示，所述电源10根据所述调制电脉冲进行焊接电弧能量调节，所述电源10根据所述无调制电脉冲进行保温电弧能量调节。其中，所述电源10调节参数包括调制电脉冲参数和无调制电脉冲参数。具体地，所述控制器30检测电源10输出调制电脉冲的第一脉冲值；当所述第一脉冲值到达第一预设阈值时，控制焊枪40对焊接工件进行焊接。所述控制器30检测电源10输出无调制电脉冲的第二脉冲值；当第二脉冲值冲到达第二预设阈值时，控制焊枪40对焊接工件进行保温。在本实施例中，激光器20对电极410预热后，降低了起弧难度。然后，所述电源10先输出调制电脉冲，通过控制调制电脉冲的峰值电流Ip1、基值电流Ib、调制频率f和脉冲时间1(缓升1、焊接1和缓降1)实现焊接电弧能量调节，当调制电脉冲的第一脉冲值缓升至第一预设阈值，控制焊枪对工件进行焊接，用于实现工件焊接成形，焊接完成后将调制电脉冲降至基值电流Ib。随后输出无调制电脉冲，通过控制无调制电脉冲的峰值电流Ip2和脉冲时间2(缓升2、焊接2和缓降2)，无调制电脉冲从基值电流Ib缓升至第二脉冲值，辅助工件焊接成型，实现保温电弧能量调节，最后关闭所述电源10，停止输出第二脉冲。在此激光诱导脉冲调制波形方案中，第一脉冲主要用于电极410预热，降低起弧难度，诱导并精确控制电弧弧斑位置。第二脉冲主要用于电弧能量调节，用于实现工件焊接成形。在一个实施例中，微电弧点焊控制系统采用激光诱导脉冲调制波形方案(Ip＝1.5A，Ib＝0.5A，f＝500Hz，d＝0.5，t＝100ms)对0.2mm弹簧管与0.1mm细针进行焊接。电弧采用调制脉冲时，得到的焊接接头成形较之采用非调制波形更加圆润光泽。
上述微电弧点焊控制系统，通过激光器20提前对所述焊枪40的电极410进行预热处理，约束电弧形貌呈密集光束状，电弧横截面窄，电弧斑点集中作用于待焊接工件，使电弧更加稳定，提高焊枪40的焊接效果。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种微电弧点焊控制系统，其特征在于，包括：电源、激光器、控制器以及焊枪；
所述控制器分别与所述电源以及所述激光器连接，所述电源的正极与待焊接工件连接，负极与所述焊枪连接；
所述控制器控制激光器输出第一脉冲对所述焊枪的电极进行预热处理；所述控制器控制电源输出第二脉冲调节焊枪的电弧波形对待焊接工件进行焊接。
2.根据权利要求1所述的微电弧点焊控制系统，其特征在于，焊枪还包括通过管道连接的气体发生器以及喷嘴，
所述气体发生器通过所述喷嘴向焊接区域释放保护气体，其中，所述焊接区域为焊枪的电极与待焊接工件所在的区域。
3.根据权利要求1所述的微电弧点焊控制系统，其特征在于，所述焊枪包括焊枪本体和电极；所述电极包括第一电极段和第二电极段；所述第一电极段为圆柱状，所述第二电极段为锥形；
所述第一电极段一端与所述第二电极段的底面连接，另一端与焊枪本体连接。
4.根据权利要求3所述的微电弧点焊控制系统，其特征在于，
所述第二电极段的尖端的夹角为20°～60°。
5.根据权利要求1所述的微电弧点焊控制系统，其特征在于，所述电极为钨电极。
6.根据权利要求1所述的微电弧点焊控制系统，其特征在于，所述控制器用于：
获取工件参数，并生成对应的激光控制参数和电源调节参数；
将所述激光控制参数传输至所述激光器，以使激光器根据所述激光控制参数生成第一脉冲，以第一脉冲对所述焊枪的电极进行预热；
预热处理结束后，将所述电源调节参数传输至电源，以使电源根据所述电源调节参数生成第二脉冲，以第二脉冲调节焊枪的电弧波形对待焊接工件进行焊接。
7.根据权利要求1所述的微电弧点焊控制系统，其特征在于，所述第二脉冲包括调制电脉冲以及无调制电脉冲；
所述电源根据所述调制电脉冲进行焊接电弧能量调节；
所述电源根据所述无调制电脉冲进行保温电弧能量调节。
8.根据权利要求7所述的微电弧点焊控制系统，其特征在于，所述控制器检测电源输出调制电脉冲的第一脉冲值；当所述第一脉冲值到达第一预设阈值时，控制焊枪对焊接工件进行焊接。
9.根据权利要求7所述的微电弧点焊控制系统，其特征在于，所述控制器检测电源输出无调制电脉冲的第二脉冲值；当所述第二脉冲值到达第二预设阈值时，控制焊枪对焊接工件进行保温。
10.根据权利要求1所述的微电弧点焊控制系统，其特征在于，所述控制器还包括霍尔传感器，所述霍尔传感器与所述电源连接，用于采集电源的运行信息。
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