CN114362530B - 一种宽范围k-tig多姿态焊接磁控电源系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽范围K‑TIG多姿态焊接磁控电源系统及控制方法，包括K‑TIG焊接电源、工件、磁场线圈、焊枪和磁控电源；所述磁控电源包括交流输入模块、整流滤波模块和交直流输出模块；采用两个buck‑boost变换器输入端并联，输出端反向串联组合形成交直流输出模块，实现了电压在0.9V_in/N与‑0.9V_in/N之间任意可调，因此调节精度高，随着焊接位置的变化，可以实现柔性调节，更加精密的调控焊缝成型。

Description

一种宽范围K-TIG多姿态焊接磁控电源系统及控制方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种宽范围K-TIG多姿态焊接磁控电源系统及控制方法。

背景技术

深熔K-TIG焊(Keyhole Tungsten Inert Gas,K-TIG)作为一种高热输入的焊接方式，在中厚度的金属板材对接焊工艺中起着重要作用。深熔K-TIG焊接无需加工坡口，对板材一次焊透，正面与背部同时成型，能加快中厚板焊接的生产速度，在船舶与大型容器制造行业中应用广泛。为了提高焊接生产率，深熔K-TIG焊接过程的自动化成为目前实际生产中的发展方向，而在船舶与大型容器实际生产过程中由于其形状多变，不规则，因此存在着不同的焊接位置，需要制定不同的焊接工序，耗时耗力，严重影响着K-TIG焊接的自动化应用。

由于熔池金属受到的重力始终向下(指向地面)，当焊接位置改变时，例如转变为横焊、倾角焊或者立焊，可将重力分解为垂直于工件和平行于工件两个方向，垂直于工件的分量与表面张力相互平衡，而平行于工件的重力分量将导致熔池金属下淌，严重影响焊缝成型和焊接质量。实际焊接时，电流经工件、熔池、电弧和焊接电源组成闭合回路，如果外加磁场作用于熔池金属，根据电磁感应定律，可以产生相应的电磁力，从而达到抑制熔池金属下淌的作用，有助于改善焊接质量。因此，根据焊接位置的改变实时调节磁控电源的输出电流电压，可以实现焊接过程动态调控。

目前虽然有部分磁控电源问世，但其调节参数单一，只能输出直流。也有部分学者采用二次逆变的方式实现了磁控电源交流输出，但其输出调节范围较小，无法实现大范围调节，且二次逆变电路采用硬开关，有较大的开关损耗和电磁干扰，可能导致电源失控，从而引发安全事故。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明的第一个目的是提供一种宽范围K-TIG多姿态焊接磁控电源系统。

本发明的第二个目的是提供一种宽范围K-TIG多姿态焊接磁控电源系统的控制方法。

本发明第一个目的采用如下技术方案：

一种宽范围K-TIG多姿态焊接磁控电源系统，包括K-TIG焊接电源、工件、磁场线圈、焊枪和磁控电源，所述K-TIG焊接电源输出正极与工件连接，负极与焊枪连接；所述磁控电源的两端与磁场线圈连接；所述磁场线圈绕着焊枪的轴向缠绕；所述焊枪垂直于工件表面放置；所述磁控电源包括交流输入模块、整流滤波模块及交直流输出模块。

进一步，所述交直流输出模块包括第一buck-boost变换器及第二buck-boost变换器，两个buck-boost变换器的输入端并联，输出端反向串联连接。

进一步，所述第一buck-boost变换器包括功率开关管Q₁、功率开关管Q₂、滤波电感L₂，滤波电容C₁和滤波电容C₃；

所述第二buck-boost变换器包括功率开关器件Q₃、功率开关管Q₄，滤波电感L₃，滤波电容C₂和滤波电容C₄；

所述第一buck-boost变换器输出电压为V_out1，第二buck-boost变换器输出电压为V_out2，由于输出端反向串联，因此所述宽范围K-TIG多姿态焊接磁控电源实际输出电压为V_out＝V_out1-V_out2。

进一步，当磁控电源工作时，功率开关管Q₁及功率开关管Q₃施加相同的PWM信号，而功率开关管Q₂及功率开关管Q₄施加与功率开关管Q₁及功率开关管Q₃互补的PWM信号。

本发明第二个目的采用如下技术方案：

一种宽范围K-TIG多姿态焊接磁控电源系统的控制方法，包括：

当第一buck-boost变换器工作时，功率开关器件Q₁和功率开关器件Q₂互补导通，假定功率开关器件Q₁的占空比为σ₁，则输出电压V_out1＝σ₁*0.9V_in/N；

同理，当第二buck-boost变换器工作时，功率开关器件Q₃和功率开关器件Q₄互补导通，假定功率开关器件Q₄的占空比为σ₄，则输出电压V_out2＝σ₄*0.9V_in/N；因此，总输出电压V_out＝0.9V_in/N*(σ₁-σ₄)；

通过控制功率开关器件Q₁的占空比σ₁和功率开关器件Q₄的占空比σ₄即可使输出电压变化，从而产生不同大小和方向的磁场。

进一步，当σ₁>σ₄时，输出电压为正，包括两个工作模态，具体为：

模态1：功率开关器件Q₁和功率开关器件Q₃导通，电流从整流输出模块流出，依次经功率开关器件Q₁、滤波电感L₂、磁场线圈、滤波电感L₃及功率开关器件Q₃回到整流滤波模块，此时，滤波电容C₁和滤波电容C₂放电；

模态2：功率开关器件Q₂和功率开关器件Q₄导通，由于电感的续流作用，因此电流依次经滤波电感L₂、磁场线圈、滤波电感L₃、功率开关器件Q₄、滤波电容C₁、滤波电容C₃及功率开关器件Q₂形成闭合回路，给滤波电容C₁和滤波电容C₂充电；

其最大正向输出电压为0.9V_in/N，此时产生垂直于工件向下的磁场。

进一步，当σ₁<σ₄时，输出电压为负，包括两个工作模态，具体为：

模态3：功率开关器件Q₂和功率开关器件Q₄导通，电流从整流输出模块流出，依次经功率开关器件Q₄、滤波电感L₃、磁场线圈、滤波电感L₂及功率开关器件Q₂回到整流滤波模块，此时，滤波电容C₁和滤波电容C₂放电；

模态4：功率开关器件Q₁和功率开关器件Q₃导通，由于电感的续流作用，因此电流依次经滤波电感L₃、磁场线圈、滤波电感L₂、功率开关器件Q₁、滤波电容C₁、滤波电容C₃及功率开关器件Q₃形成闭合回路，给滤波电容C₁和滤波电容C₂充电；

其最大负向输出电压为-0.9V_in/N，此时产生垂直于工件向上的磁场。

进一步，在焊接过程中，如果工件倾斜角θ，那么重力将有垂直于工件的分量G_v和平行于工件的分量G_h，在平行于工件的分量G_h的作用下熔池金属将沿着倾斜的方向下淌，此时通过调整功率开关器件Q₁的占空比σ₁和功率开关器件Q₄的占空比σ₄，抑制熔池金属下淌。

进一步，当工件的倾斜角为0°<θ<90°时，随着倾斜角越大，所需抑制熔池金属下淌的磁场强度越大，控制策略为增大σ₁，减小σ₄，此时控制磁控电源的PWM占空比σ₁<σ₄，且σ₁<50％，σ₄>50％。

进一步，当工件的倾斜角为-90°<θ<0°，随着倾斜角越大，所需抑制熔池金属下淌的磁场强度越大，控制策略为减小σ₁，增大σ₄，此时控制磁控电源的PWM占空比σ₁<σ₄且σ₁<50％，σ₄>50％。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用两个buck-boost变换器，其输入端并联，输出端反向串联的方式，实现了电压在0.9V_in/N与-0.9V_in/N之间任意可调，因此调节精度高，随着焊接位置的变化，可以实现柔性调节，更加精密的调控焊缝成型；

(2)本发明的结构扩大了交直流输出范围，电磁力也随之增大，适用于更极端的焊接位置；

(3)本发明当焊接位置动态变化时，可以实时调节宽范围K-TIG多姿态焊接磁控电源的输出电压电流，使熔池金属不下淌，保证良好的焊缝成型。

附图说明

图1是本发明一种宽范围K-TIG多姿态焊接磁控电源系统原理图；

图2(a)～图2(d)是本发明磁控电源工作在不同模态的原理示意图，箭头表示电流流向；

图3是本发明的磁控电源PWM控制时序图。

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，一种宽范围K-TIG多姿态焊接磁控电源系统，包括K-TIG焊接电源1、工件2、磁场线圈3、焊枪4和磁控电源5，所述K-TIG焊接电源1输出正极与工件2连接，负极与焊枪4连接；所述磁控电源5的两端与磁场线圈连接3；所述磁场线圈3绕着焊枪4的轴向缠绕；所述焊枪4垂直于工件2表面放置。

如图2(a)-图2(d)所示，所述磁控电源包括交流输入模块、整流滤波模块和交直流输出模块，所述整流滤波模块一端与交流输入模块连接，其另一端与交直流输出模块连接。

所述交流输入模块包括交流输入电网V_in和隔离变压器T₁，将交流输入电压V_in转换为整流滤波模块输入电压V_in/N。

所述整流滤波模块包括整流二极管D₁-D₄和滤波电感L₁，将整流滤波模块输入电压整流为直流电压0.9V_in/N。

所述交直流输出模块包括功率开关器件Q₁-Q₄，滤波电感L₂和L₃，滤波电容C₁-C₄。

所述功率开关器件Q₁-Q₄内嵌寄生反并联二极管；

所述功率开关器件Q₁和功率开关器件Q₂，滤波电感L₂，滤波电容C₁和滤波电容C₃构成第一buck-boost变换器；所述功率开关器件Q₃和功率开关器件Q₄，滤波电感L₃，滤波电容C₂和滤波电容C₄构成第二buck-boost变换器。

所述第一buck-boost变换器和第二buck-boost变换器输入端并联，输出端反向串联连接构成交直流输出模块。

如图3所示，一种宽范围K-TIG多姿态焊接磁控电源系统的控制方法如下：

当磁控电源工作时，功率开关器件Q₁和功率开关器件Q₃施加相同的PWM信号，所述功率开关器件Q₂和功率开关器件Q₄施加与功率开关器件Q₁和功率开关器件Q₃互补的PWM信号；

所述第一buck-boost变换器输出电压为V_out1，第二buck-boost变换器输出电压为V_out2，由于输出端反向串联，因此所述宽范围K-TIG多姿态焊接磁控电源实际输出电压为V_out＝V_out1-V_out2。

所述第一buck-boost变换器工作时，功率开关器件Q₁和功率开关器件Q₂互补导通，假定功率开关器件Q₁的占空比为σ₁，则输出电压V_out1＝σ₁*0.9V_in/N；同理，第二buck-boost变换器工作时，功率开关器件Q₃和功率开关器件Q₄互补导通，假定功率开关器件Q₄的占空比为σ₄，则输出电压V_out2＝σ₄*0.9V_in/N；因此，总输出电压V_out＝0.9V_in/N*(σ₁-σ₄)，通过控制功率开关器件Q₁的占空比σ₁和功率开关器件Q₄的占空比σ₄即可使输出电压变化，从而产生不同大小和方向的磁场。

进一步，其具体过程为：

如图2(a)和2(b)所示，当σ₁>σ₄时，输出电压为正，包括两个工作模态：

如图2(a)所示，模态1：功率开关器件Q₁和功率开关器件Q₃导通，电流从整流输出模块流出，经功率开关器件Q₁-滤波电感L₂-磁场线圈-滤波电感L₃-功率开关器件Q₃回到整流滤波模块。此时，滤波电容C₁和C₂放电；

如图2(b)所示，模态2：功率开关器件Q₂和功率开关器件Q₄导通，由于电感的续流作用，因此电流经滤波电感L₂-磁场线圈-滤波电感L₃-功率开关器件Q₄-滤波电容C₁和C₃-功率开关器件Q₂形成闭合回路，给滤波电容C₁和C₂充电；

其最大正向输出电压为0.9V_in/N，此时产生垂直于工件向下的磁场。

如图2(c)和2(d)所示，当σ₁<σ₄时，输出电压为负，包括两个工作模态：

如图2(c)所示，模态3：功率开关器件Q₂和功率开关器件Q₄导通，电流从整流输出模块流出，经功率开关器件Q₄-滤波电感L₃-磁场线圈-滤波电感L₂-功率开关器件Q₂回到整流滤波模块。此时，滤波电容C₁和C₂放电。

如图2(d)所示，模态4：功率开关器件Q₁和功率开关器件Q₃导通，由于电感的续流作用，因此电流经滤波电感L₃-磁场线圈-滤波电感L₂-功率开关器件Q₁-滤波电容C₁和C₃-功率开关器件Q₃形成闭合回路，给滤波电容C₁和C₂充电；

其最大负向输出电压为-0.9V_in/N，此时产生垂直于工件向上的磁场。

进一步，如图1所示，在实际焊接过程中，电流经工件、熔池、电弧和K-TIG焊接电源组成闭合回路，将K-TIG焊接电源的正极连接于工件的一端，另一端连接于焊枪，因此电流将沿着K-TIG焊接电源的正极与工件的接触点向钨极方向流动。钨极下方由于电弧的加热作用，金属熔化形成熔池，如果工件倾斜角θ，那么重力将有垂直于工件的分量G_v和平行于工件的分量G_h，在平行于工件的分量G_h的作用下熔池金属将沿着倾斜的方向下淌。

假设倾斜角为0°<θ<90°，此时控制磁控电源的PWM占空比σ₁>σ₄且σ₁>50％，σ₄<50％，产生垂直于工件向下的磁场。由于焊接电流位于工件内，因此磁场方向与焊接电流方向垂直，根据左手定则，熔池金属将受到平行于工件向上的电磁力作用，与重力的分量相互抵消，可以抑制熔池金属下淌，如图1所示。倾斜角越大，重力平行于工件方向的分量越大，则所需的电磁力越大，因此所需的磁场强度越大，此时可增大σ₁，减小σ₄，增大磁控电源的正向电压。

假设倾斜角为-90°<θ<0°，此时控制磁控电源的PWM占空比σ₁<σ₄且σ₁<50％，σ₄>50％，产生垂直于工件向上的磁场。由于焊接电流位于工件内，方向不变，因此磁场方向与焊接电流方向垂直，根据左手定则，熔池金属将受到平行于工件向上的电磁力作用，与重力的分量相互抵消，可以抑制熔池金属下淌，如图1所示。倾斜角越大，重力平行于工件方向的分量越大，则所需的电磁力越大，因此所需的磁场强度越大，此时可减小σ₁，增大σ₄，增大磁控电源的负向电压。

基于以上原理，在焊接过程中，可以实时检测工件的倾斜角度变化或焊接位置的变化，反馈调控磁控电源的输出，从而保证熔池金属不下淌，适应不同位置的焊接。

本发明采用两个buck-boost变换器输入端并联，输出端反向串联组合形成交直流输出模块，可以实现输出电压在0.9V_in/N与-0.9V_in/N之间动态柔性调节，调节范围宽；随着焊接位置的变化，可以通过动态改变输出电压的大小和方向，使熔池金属受到不同的电磁力，与重力的分量相互抵消，从而保证熔池金属不下淌，更加精密的调控焊缝成型，适用于更极端的焊接条件，同时，通过给功率器件施加不同的占空比驱动信号即可实现正向和反向输出，具有控制简单、功能多样的优点。

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 (5)

1.一种宽范围K-TIG多姿态焊接磁控电源系统，包括K-TIG焊接电源、工件、磁场线圈、焊枪和磁控电源，所述K-TIG焊接电源输出正极与工件连接，输出负极与焊枪连接；所述磁控电源的两端与磁场线圈连接；所述磁场线圈绕着焊枪的轴向缠绕；所述焊枪垂直于工件表面放置；其特征在于，所述磁控电源包括交流输入模块、整流滤波模块及交直流输出模块；

所述交直流输出模块包括第一buck-boost变换器及第二buck-boost变换器，第一buck-boost变换器和第二buck-boost变换器的输入端并联，输出端反向串联连接；

所述第一buck-boost变换器包括功率开关器件Q ₁、功率开关器件Q ₂、滤波电感L ₂，滤波电容C ₁和滤波电容C ₃；

所述第二buck-boost变换器包括功率开关器件Q ₃、功率开关器件Q ₄，滤波电感L ₃，滤波电容C ₂和滤波电容C ₄；

所述第一buck-boost变换器输出电压为V _out1，第二buck-boost变换器输出电压为V _out2，由于输出端反向串联，因此所述宽范围K-TIG多姿态焊接磁控电源系统实际输出电压为V _out= V _out1 - V _out2；

在焊接过程中，如果工件倾斜角为θ，那么重力将有垂直于工件表面的分量G _v和平行于工件表面的分量G _h，在平行于工件表面的分量G _h的作用下熔池金属将沿着倾斜的方向下淌，此时通过调整功率开关器件Q ₁的占空比σ ₁和功率开关器件Q ₄的占空比σ ₄，抑制熔池金属下淌；

当工件的倾斜角为0°<θ <90°时，随着倾斜角越大，所需抑制熔池金属下淌的磁场强度越大，控制策略为增大σ ₁，减小σ ₄，此时控制磁控电源的占空比σ ₁>σ ₄，且σ ₁>50%，σ ₄<50%；

当工件的倾斜角为-90°<θ <0°，随着倾斜角越大，所需抑制熔池金属下淌的磁场强度越大，控制策略为减小σ ₁，增大σ ₄，此时控制磁控电源的占空比σ ₁<σ ₄且σ ₁<50%，σ ₄>50%。

2.根据权利要求1所述的宽范围K-TIG多姿态焊接磁控电源系统，其特征在于，当磁控电源工作时，功率开关器件Q ₁及功率开关器件Q ₃施加相同的PWM信号，而功率开关器件Q ₂及功率开关器件Q ₄施加与功率开关器件Q ₁及功率开关器件Q ₃互补的PWM信号。

3.一种如权利要求1-2任一项所述的宽范围K-TIG多姿态焊接磁控电源系统的控制方法，其特征在于，包括：

当第一buck-boost变换器工作时，功率开关器件Q ₁和功率开关器件Q ₂互补导通，假定功率开关器件Q ₁的占空比为σ ₁，则输出电压V _out1 = σ ₁×0.9V _in/N；

同理，当第二buck-boost变换器工作时，功率开关器件Q ₃和功率开关器件Q ₄互补导通，假定功率开关器件Q ₄的占空比为σ ₄，则输出电压V _out2 = σ ₄×0.9V _in/N；因此，实际输出电压V _out= 0.9V _in/N×(σ ₁-σ ₄)，V _in为输入电压，N为变压器线圈匝数比；

通过控制功率开关器件Q ₁的占空比σ ₁和功率开关器件Q ₄的占空比σ ₄即可使输出电压变化，从而产生不同大小和方向的磁场。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，当σ ₁>σ ₄时，实际输出电压V _out为正，包括两个工作模态，具体为：

模态1：功率开关器件Q ₁和功率开关器件Q ₃导通，电流从整流滤波模块流出，依次经功率开关器件Q ₁、滤波电感L ₂、磁场线圈、滤波电感L ₃及功率开关器件Q ₃回到整流滤波模块，此时，滤波电容C ₁和滤波电容C ₂放电；

模态2：功率开关器件Q ₂和功率开关器件Q ₄导通，由于电感的续流作用，因此电流依次经滤波电感L ₂、磁场线圈、滤波电感L ₃、功率开关器件Q ₄、滤波电容C ₁、滤波电容C ₃及功率开关器件Q ₂形成闭合回路，给滤波电容C ₁和滤波电容C ₂充电；

其最大正向输出电压为0.9V _in/N，此时产生垂直于工件表面向下的磁场。

5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，当σ ₁<σ ₄时，实际输出电压V _out为负，包括两个工作模态，具体为：

模态3：功率开关器件Q ₂和功率开关器件Q ₄导通，电流从整流滤波模块流出，依次经功率开关器件Q ₄、滤波电感L ₃、磁场线圈、滤波电感L ₂及功率开关器件Q ₂回到整流滤波模块，此时，滤波电容C ₁和滤波电容C ₂放电；

模态4：功率开关器件Q ₁和功率开关器件Q ₃导通，由于电感的续流作用，因此电流依次经滤波电感L ₃、磁场线圈、滤波电感L ₂、功率开关器件Q ₁、滤波电容C ₁、滤波电容C ₃及功率开关器件Q ₃形成闭合回路，给滤波电容C ₁和滤波电容C ₂充电；

其最大负向输出电压为-0.9V _in/N，此时产生垂直于工件表面向上的磁场。