CN114951909B - 一体化双丝变极性双脉冲mig焊电源系统及控制方法 - Google Patents

一体化双丝变极性双脉冲mig焊电源系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种一体化双丝变极性双脉冲MIG焊电源系统及控制方法，包括三相交流电网、主机电源、从机电源、主丝及从丝；所述主机电源一端与三相交流电网连接，其另一端与主丝连接；所述从机电源一端与三相交流电网连接，其另一端与从丝连接；所述主机电源和从机电源结构相同，均包括主电路和控制电路；所述主电路包括依次电气连接的整流桥、一次逆变电路、变压器、副边整流滤波电路及二次逆变电路。本发明采用双丝变极性双脉冲后，同极性时焊缝熔深更深、熔宽更小，反极性时在熔池后方形成液态金属流回流抑制驼峰焊缝形成，增强了双电弧稳定性和熔滴过渡可控性，将生产效率高、电弧和熔滴过渡行为可控和焊接质量好等优点集中实现。

Description

一体化双丝变极性双脉冲MIG焊电源系统及控制方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种一体化双丝变极性双脉冲MIG焊电源系统及控制方法。
背景技术
双脉冲波形在优化双电弧干扰、熔滴过渡和焊缝成形方面起着重要作用。双脉冲又称为低频调制型脉冲，是对高频脉冲波形进行调制，使两种单脉冲波形按一定的规则生成周期性的强弱脉冲电流波形的一种工艺方法，针对焊接工艺优化而设计。其脉冲强度按预设的低频频率而周期性切换，使电弧和热输入随低频调制频率的变化而变化。双脉冲的弱脉冲阶段使弧长保持恒定，并为焊丝和工件提供一定的热量；强脉冲阶段能有效地提高焊接熔池的深度，获得熔合性较好的焊接接头。通过调节双脉冲的强脉冲时间来改变焊接热输入，从而控制熔池，使母材热输入量减少，进而有效控制焊缝宽度，获得成形较好的焊缝。双脉冲比单脉冲的可调节参数多，具有更好的可调性；同时能减少熔池中气孔产生概率，细化焊缝区和热影响区的微观组织，提升焊接接头性能。
而变极性脉冲波形也可以认为是一种波形控制。在MIG焊中应用变极性脉冲波形时，其存在直流正接和直流反接两种情况。直流正接时，工件接电源正极，焊丝接电源负极，由于阴极压降高，焊丝处于热端，熔化速度快，而阳极斑点寻找纯金属，工件表面多为氧化膜，因此会引起阳极斑点的跳动，使电流密度不均匀，产生磁偏吹使电弧失稳，熔滴过渡差。直流反接时，焊丝接电源正极，工件接电源负极，电弧平稳，熔滴过渡平稳，但对工件的热输入大，焊接熔深更深，易产生烧穿及熔池下榻缺陷，不适用于薄板的焊接。变极性脉冲MIG焊工艺，不但克服了直流正接时的电弧不稳定与较差的熔滴过渡，还可以通过调节焊接电流波形的正反极性时间比来控制对工件的热输入，适用于薄板的焊接，明显提高了焊接效率，减小了焊接工件的变形。在不同极性下电弧和熔滴过渡呈现不同的行为，可以通过适当调节变极性相关参数控制电弧和熔滴过渡行为，提高双电弧稳定性和熔滴过渡可控性。此外，变极性脉冲对熔池的搅拌作用能有效减少气孔缺陷，细化焊缝区及热影响区晶粒，提高焊接接头的机械性能，在一定程度上改善了焊缝成形质量。
同理，可以利用变极性双脉冲增强铝合金双丝焊双电弧稳定性、熔滴过渡可控性和提高焊缝成形质量，并对熔池进行有规则的震荡，降低气孔发生率，细化晶粒，为双丝焊的优化应用打下基础。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种一体化双丝变极性双脉冲MIG焊电源系统及控制方法。
本发明在双丝焊、变极性脉冲MIG焊和双脉冲焊的基础上，提出双丝变极性双脉冲MIG焊。同时使用移相型双丝变极性双脉冲相位控制方法，弥补传统双丝焊相位控制(同步和交替相位)的不足，满足高性能的电流波形和电流相位精密控制需求，提高双电弧稳定性和熔滴过渡的可控性，从而提高焊缝成形质量。
本发明采用如下技术方案：
一种一体化双丝变极性双脉冲MIG焊电源系统，包括三相交流电网、主机电源、从机电源、主丝及从丝；
所述主机电源一端与三相交流电网连接，其另一端与主丝连接；
所述从机电源一端与三相交流电网连接，其另一端与从丝连接；
所述主机电源和从机电源结构相同，均包括主电路和控制电路；
所述主电路包括依次电气连接的整流桥、一次逆变电路、变压器、副边整流滤波电路及二次逆变电路。
进一步，所述一次逆变电路采用硬开关电路、移相全桥软开关电路或LLC谐振拓扑电路三者中的任意一种。
进一步，所述二次逆变电路采用硬开关电路的半桥拓扑结构或全桥拓扑结构。
进一步，所述控制电路包括电压电流检测电路及DSP主控芯片，所述DSP主控芯片产生调制信号PWMA、调制信号PWMB、调制信号PWMC及调制信号PWMD，用于控制一次逆变电路。
进一步，所述DSP主控芯片还产生调制信号PWM1、调制信号PWM2、调制信号PWM3及调制信号PWM4，用于控制二次逆变电路。
进一步，调制信号PWMA与调制信号PWMC互补且带有死区，调制信号PWMB与调制信号PWMD互补且带有死区，调制信号PWMA与调制信号PWMB初始相位差为180°。
进一步，调制信号PWM1与调制信号PWM3互补且带有死区，调制信号PWM2与调制信号PWM4互补且带有死区。
一种双丝变极性双脉冲MIG焊电源系统的控制方法，包括：
实现副边整流滤波电路的恒流输出；
实现副边整流滤波电路的双脉冲电流输出；
实现主丝和从丝上的变极性脉冲，实现电流波形的精密控制；
实现主丝变极性双脉冲和从丝变极性双脉冲之间的移相，移相范围在0°～180°，实现变极性双脉冲电流相位的精密控制。
进一步，在双脉冲电流的一个周期内，通过调整二次逆变电路两组桥臂的开关次序和导通时长，调整变极性双脉冲的交流频率和正负半波占空比；
再通过调节主机电源二次逆变电路的调制信号PWM1、调制信号PWM2和从机电源二次逆变电路的调制信号PWM1、调制信号PWM2之间的相位差，实现变极性双脉冲电流相位的精密控制。
进一步，所述实现副边整流滤波电路的恒流输出，具体为：
将给定峰值电流Ip或给定基值电流Ib与电压电流检测电路的反馈电流If进行求偏差，通过偏差进行恒流PI控制得到调制信号PWMA与调制信号PWMB的移相角，把移相角设定为PWMA与PWMB的相位差，如此循环，直到实现恒流。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用变极性双脉冲电流，减少了双电弧干扰，增强了双电弧稳定性和熔滴过渡可控性，同时变极性双脉冲搅拌熔池，增强熔池液态金属的流动性，降低气孔发生率，细化焊缝晶粒，进一步提高了焊缝成形质量和机械性能。
(2)本发明将双丝焊、变极性脉冲焊和双脉冲焊进行一体化有机结合，在减小焊接电源体积的同时，将生产效率高、电弧和熔滴过渡行为可控和焊接质量好等优点集中实现。
(3)本发明使用移相型双丝变极性双脉冲相位控制方法，控制简单，弥补了传统双丝焊相位控制不精确的缺点，实现了电流波形和电流相位的精密控制。
(4)本发明与现有双丝MIG焊电源系统比较，硬件上只增加了二次逆变电路，结构简单，改动小，易于维护。
(5)本发明采用双丝变极性双脉冲后，可调节参数增多，能够对熔滴过渡过程进行更细微的调节和控制。
(6)本发明工作在双丝同极性时焊缝熔深更深、熔宽更窄，双丝反极性时在熔池后方形成液态金属流回流抑制驼峰焊缝形成。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是本发明主电路原理图；
图3(a)-图3(c)分别是本发明的双丝变极性双脉冲分别移相0°、任意角度、180°波形示意图；
图4(a)-图4(b)分别是双丝同极性和反极性的电弧和熔滴示意图；
图5是本发明的双丝变极性双脉冲控制方法流程图。
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，一种一体化双丝变极性双脉冲MIG焊电源系统，包括三相交流电网、主机电源、从机电源、主丝及从丝；
所述主机电源一端与三相交流电网连接，其另一端与主丝连接；所述从机电源一端与三相交流电网连接，其另一端与从丝连接；
所述主机电源和从机电源结构相同，均包括主电路和控制电路；
所述主电路包括依次电气连接的整流桥、一次逆变电路、变压器、副边整流滤波电路及二次逆变电路；
所述一次逆变电路采用硬开关、移相全桥软开关或LLC谐振拓扑电路三者中的任意一种；
所述二次逆变电路采用硬开关电路的半桥拓扑结构或全桥拓扑结构；
所述控制电路包括电压电流检测电路及DSP主控芯片；
所述电压电流检测电路的一端与DSP主控芯片连接，其另一端与主电路连接。
所述DSP主控芯片采用TMS320F280049C或TMS320F28379D数字信号处理器；
所述DSP主控芯片产生调制信号PWMA、调制信号PWMB、调制信号PWMC及调制信号PWMD控制一次逆变电路，其中PWMA与PWMC互补且带有死区，其中PWMB与PWMD互补且带有死区，PWMA与PWMB初始相位差为180°；所述DSP主控芯片还产生调制信号PWM1、调制信号PWM2、调制信号PWM3、调制信号PWM4控制二次逆变电路，其中调制信号PWM1与调制信号PWM3互补且带有死区，其中调制信号PWM2与调制信号PWM4互补且带有死区。
如图2所示是本发明的主电路，以从机电源为例，三相交流电经过整流桥后变成直流输入Vd，依次通过Q1～Q4组成的一次逆变电路，变压器T，D17、D18、Co1、Rc1和Lc1组成的副边整流滤波电路，Q5～Q8组成的二次逆变电路，变成变极性双脉冲作用于从丝；其中通过改变二次逆变电路两组桥臂的导通时长和开关次序，来调节变极性双脉冲的交流频率和正负半波占空比，实现变极性双脉冲电流波形相位的精密控制。
如图3(a)-3(c)所示，所述移相型双丝变极性双脉冲相位控制方法，通过调节主机电源二次逆变电路的PWM1、PWM2的CMPA与从机电源二次逆变电路的PWM1、PWM2的CMPA之间的差值，即主机电源二次逆变电路的PWM1、PWM2和从机电源二次逆变电路的PWM1、PWM2之间的相位差，使主丝和从丝的变极性双脉冲的相位在0°～180°内调整，实现电流相位的精密控制。
如图4(a)-图4(b)所示，在不同极性下电弧和熔滴过渡呈现不同的行为，可以通过适当调节变极性相关参数控制电弧、熔滴过渡和传热行为，优化双电弧干扰和提高熔滴过渡可控性。具体为调节变极性电流Iz和Ic的正负电流大小和持续时间来控制Fz和Fc的大小和方向，分别通过同向电流或反向电流控制主从电弧和熔滴相互吸引或排斥的程度。直流反接(焊丝接正极)能够提高母材热输入，增加焊缝熔深；直流正接(焊丝接负极)则能加快焊丝熔化，提高焊丝熔敷率。双丝同极性时主、从熔滴因相互吸引轨迹相向偏转发生碰撞；双丝反极性时主、从熔滴相互排斥而分别近乎垂直落下；两种情况的主丝熔滴均为射滴过渡，而从丝熔滴随着EN比率的提高由射滴过渡转变为射流过渡。
如图5所示，一种一体化双丝变极性双脉冲MIG焊电源系统的控制方法，具体如下：
首先实现副边整流滤波电路的恒流输出：将给定峰值电流Ip或给定基值电流Ib与电压电流检测电路的反馈电流If进行求偏差，通过偏差进行恒流PI控制得到调制信号PWMA与调制信号PWMB的移相角，把移相角设定为调制信号PWMA与调制信号PWMB的相位差，如此循环，直到实现恒流。
再实现副边整流滤波电路的双脉冲电流输出：在恒流的基础上，每隔特定时间t改变恒流输出的给定值I，输出强弱电流，即强脉冲和弱脉冲，形成连续的双脉冲电流。
然后实现主丝和从丝上的变极性双脉冲：双脉冲电流通过二次逆变电路后形成连续的变极性双脉冲电流。在双脉冲电流的一个周期内，通过改变二次逆变电路两组桥臂的导通时长和开关次序，来调节变极性双脉冲的交流频率和正负半波占空比，实现电流波形的精密控制。所述调制信号PWM1和调制信号PWM2的相位差和PWM占空比共同决定了二次逆变电路的两组桥臂的开关次序和导通时长。
最后通过调节主机电源二次逆变电路的调制信号PWM1、调制信号PWM2和从机电源二次逆变电路的调制信号PWM1、调制信号PWM2之间的相位差实现主丝变极性双脉冲和从丝变极性双脉冲之间的移相，移相范围在0°～180°，实现电流相位的精密控制。
具体地说：PWM占空比是指每个调制信号PWM的占空比，调制信号PWMA-PWMD及调制信号PWM1-PWM4的占空比均是通过同样的方式设定。
每一路调制信号均设有计数比较寄存器CMPA、计数比较寄存器CMPB和周期寄存器TBPRD。
在加减计数方式下，计数值先从0经过CMPA到TBPRD逐一增大，再从TBPRD经过CMPB到0逐一减小，然后重复上述过程。在一个周期中，周期时长为T，计数值到达CMPA的时间为tA，计数值到达CMPB的时间为tB，则占空比D为：
主机电源或从机电源二次逆变电路的调制信号PWM1与调制信号PWM2的相位差均是调制信号PWM1的CMPA与调制信号PWM2的CMPA的差值，该差值为根据需要而预先设定的固定值。
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)

1.一种基于双丝变极性双脉冲MIG焊电源系统的控制方法，所述双丝变极性双脉冲MIG焊电源系统包括
包括三相交流电网、主机电源、从机电源、主丝及从丝；
所述主机电源一端与三相交流电网连接，其另一端与主丝连接；
所述从机电源一端与三相交流电网连接，其另一端与从丝连接；
所述主机电源和从机电源结构相同，均包括主电路和控制电路；
所述主电路包括依次电气连接的整流桥、一次逆变电路、变压器、副边整流滤波电路及二次逆变电路；
所述控制电路包括电压电流检测电路及DSP主控芯片，所述DSP主控芯片产生调制信号PWMA、调制信号PWMB、调制信号PWMC及调制信号PWMD，用于控制一次逆变电路；
所述DSP主控芯片还产生调制信号PWM1、调制信号PWM2、调制信号PWM3及调制信号PWM4，用于控制二次逆变电路；
其特征在于，
所述控制方法包括：
实现副边整流滤波电路的恒流输出，具体为：
将给定峰值电流I p或给定基值电流I b与电压电流检测电路的反馈电流I f进行求偏差，通过偏差进行恒流PI控制得到调制信号PWMA与调制信号PWMB的移相角，把移相角设定为PWMA与PWMB的相位差，如此循环，直到实现恒流；
实现副边整流滤波电路的双脉冲电流输出；
具体为：在恒流的基础上，每隔特定时间t改变恒流输出的给定值I，输出强弱电流，即强脉冲和弱脉冲，形成连续的双脉冲电流；
实现主丝和从丝上的变极性脉冲，实现电流波形的精密控制；
具体为：双脉冲电流通过二次逆变电路后形成连续的变极性双脉冲电流，在双脉冲电流的一个周期内，通过改变二次逆变电路两组桥臂的导通时长和开关次序，来调节变极性双脉冲的交流频率和正负半波占空比，实现电流波形的精密控制；
实现主丝变极性双脉冲和从丝变脉冲之间的移相，移相范围在0°~180°，实现变极性双脉冲电流相位的精密控制，具体为：
通过调节主机电源二次逆变电路的调制信号PWM1、调制信号PWM2和从机电源二次逆变电路的调制信号PWM1、调制信号PWM2之间的相位差，实现变极性双脉冲电流相位的精密控制。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述一次逆变电路采用硬开关电路、移相全桥软开关电路或LLC谐振拓扑电路三者中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述二次逆变电路采用硬开关电路的半桥拓扑结构或全桥拓扑结构。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，调制信号 PWMA与调制信号PWMC互补且带有死区，调制信号 PWMB与调制信号PWMD互补且带有死区，调制信号PWMA与调制信号PWMB初始相位差为180°。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，调制信号PWM1与调制信号PWM3互补且带有死区，调制信号PWM2与调制信号PWM4互补且带有死区。
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