CN201333584Y - 一种短路过渡焊接系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种新型短路过渡焊接系统，属于焊接方法设备及自动化领域。本实用新型结合先进的数字化控制技术，采用数字化芯片DSP和CPLD相结合的控制手段，完成交流短路过渡焊接过程的控制。在焊接过程中的短路阶段进行DCEP到DCEN的极性转换，在燃弧阶段进行DCEN到DCEP的极性切换，实现每个焊接周期都进行能量控制的目的，提高能量控制的连续性。本实用新型焊接过程中的能量调节在每个焊接周期都进行，解决了焊接过程中能量波动大的缺点；同时增加了高压稳弧部分，使焊接过程中电极极性转变时刻不仅能在短路阶段实现，也能在燃弧阶段实现，拓展了控制的灵活度。

Description

一种短路过渡焊接系统

技术领域

本实用新型涉及一种短路过渡焊接系统，属于焊接方法设备及自动化领域。

背景技术

气体保护焊早在1883年由俄国工程师提出来，到20世纪30年代，美国学者首先实用新型惰性气体保护焊。这种方法用于有色金属焊接取得了很好的效果，但用于黑色金属的焊接却不理想。直到上世纪50年代初期，苏联的柳巴夫斯基、诺沃日洛夫与日本的关口春次郎分别研究成功二氧化碳气体保护焊，才使得黑色金属的焊接得到更好的实现。二氧化碳气体保护焊采用的熔滴过渡形式不同于惰性气体的焊接，主要为短路过渡，由于此方法具有比如生产效率高、焊接成本低、焊接质量好、焊接适应性强等众多的优点，使其迅速得到推广。随着人们研究的加深，短路过渡这种方法也由仅仅采用CO₂气体作为保护气而扩大到采用MAG焊中，体现了短路过渡方法的巨大发展空间。然而，以往人们采用这种焊接方法的设备基本都采用直流反接(即电极为正极性，波形图如图3所示)，没有人采用交流焊接方法实现。

随着世界经济的发展，人们对焊接提出了不同的要求，比如更多的场合需要薄铁板的焊接，因此利用焊接时焊丝电极为正或为负时对焊丝和母材不同的热效应，来满足实际生产条件的需要不失为一种很好的选择。在此背景下，日本OTC公司提出了一种极性切换的短路电弧焊接方法(CN1775444A)，该方法是根据实际焊接中能量的需要，在连续保持一定个数的EP(电极为正)周期后，通过控制手段，使焊接过程变为EN(电极为负)极性，并保持一定的周期个数。通过不停的EP、EN极性的变化及变化的比率的不同，来实现焊接过程的能量控制。其特点是每次电极极性的转变均在短路阶段，此时由于没有电弧，故不存在电弧引燃的问题，故也不需要增加稳弧设备，其特点是控制简单。但是由于其电极从EN到EP和从EP到EN的极性转变时刻均被限制在短路阶段，因而造成其在实际焊接中具有很大的局限性，其缺点如下：

由于其极性的转变均选择在短路时，故造成其燃弧阶段会出现EP和EN两种情况。而在EN时，由于焊接过程的电弧排斥力的作用，使焊接燃弧后期熔滴整形阶段的熔滴过渡存在较大排斥，容易产生飞溅，使焊接过程存在不稳定。

在从设备系统角度上看，当今的焊机，特别是交流短路过渡焊机的控制多为模拟器件控制或者是采用单片机简单的进行一些数字化控制，控制电路复杂，精度差，设备的可重复性不好、一致性不强。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服了现有焊接系统的上述缺陷，提供了一种短路过渡焊接系统。本系统以数字化技术来控制的交流短路过渡系统，在每一个短路周期中，燃弧初始时段电弧处于EN阶段，此时由于阴极压降较大，所以电弧热量主要用于熔化焊丝，而随后的时间电流下降，能量降低，电弧转换为EP极性。此时电弧对熔滴的阻碍作用较弱，熔滴过渡顺畅，焊接过程稳定。

本实用新型的设计思想为：结合先进的数字化控制技术，采用数字化芯片DSP和CPLD相结合的控制手段，完成交流短路过渡焊接过程的控制。在焊接过程中的短路阶段进行EP到EN的极性转换，在燃弧阶段进行EN到EP的极性切换，实现每个焊接周期都进行能量控制的目的，提高能量控制的连续性。其实用新型的原理为：在EN时，电极为负，此时对焊丝的熔化速度很快，可以提高焊丝的熔化速度，而此时由于母材为正极，对其热输入较少，则减少对母材的熔深；而在电极为EP时，焊丝为正极性，此时对焊丝熔化较少，而对母材的熔化速率较大。这样通过EN比率的调节，可以实现焊接过程中对母材的热数量控制，实现本实用新型的目的。

本实用新型的主要创新点如下：

1)本实用新型的交流短路过渡焊接方法，是在以恒定的送丝速度下，在每个包括连续的短路、燃弧状态的焊接周期中，进行电极极性切换的交流短路过渡焊接方法。每个焊接周期(包括一个完整的短路和燃弧阶段)中，均在短路阶段的某一时刻(比如短路开始时刻)使电极极性由正(即EP)转化为负(EN)，而在燃弧阶段的某一时刻则由EN转化为EP。这样不但保障了每个焊接周期都能够进行能量的调节，而且也保障了每次在燃弧后期的熔滴整形阶段电极都处于正极性，这样将能够大大减少在电极为负时出现的排斥现象，促进焊接过程的稳定，减少飞溅的产生。

2)本实用新型的交流短路过渡电弧焊接系统，采用DSP和CPLD组成的数字化平台。在给定焊接条件下，通过合适的参数匹配，实现快速、实时、精确控制。

3)本实用新型的交流短路过渡电弧焊接系统，是增加一个仅由一个开关器件IGBT7和高压直流电源组成的高压稳弧1.9，设备简单。

本实用新型采用的技术方案如下。本实用新型的焊接系统由主电路1、控制电路2、外围部分3等三部分组成。其中主电路1部分包括由整流滤波电路1.1、一次逆变电路1.2、中频变压器1.3、二次整流电路1.4、二次逆变电路1.5、电弧能量输出1.6、电流莱姆1.7和电压莱姆1.8、高压稳弧1.9等组成；控制电路2包括有核心控制部分A、驱动执行部分B、前面板输入及显示部分C和送丝系统D；外围部分3由送丝机和气瓶组成。其中，核心控制部分A包括：DSP系统部分A1、CPLD系统部分A2、电流采样及滤波A3和电压采样及滤波A4以及保护电路A5组成；驱动执行部分B：由一次逆变驱动电路B1、二次逆变驱动电路B2以及高压稳弧驱动B3组成；前面板输入及显示部分C：包括有焊接参数给定C1和焊接参数显示C2；送丝系统D：包括有焊枪开关D1、气阀D3、送丝给定D2和送丝机调速电路D4。

所述的控制电路2中的核心控制部分A中电流采样及滤波A3和电压及采样滤波A4的一端与DSP系统A1相连，另一端分别与主电路1中的电流莱姆1.7和电压莱姆1.8相连；CPLD系统A2则和保护电路A5相连，接收来自保护电路A5输入的保护信号；同时CPLD系统A2还和一次逆变驱动电路B1、二次逆变驱动电路B2以及高压稳弧驱动B3相连，输出驱动信号。另外，CPLD系统A2还和显示部分C与送丝系统D相连，进行显示和送丝信号与DSP系统A1的信号传递。而以上所述的所有这些信号，除电流采样A3和电压采样A4直接和DSP相连外，其余均经过CPLD和DSP进行相连，输入给DSP系统部分进行控制，同时DSP系统A1把经过程序运算后得到的信号通过CPLD系统A2分别传给各个相应部分。

所述的驱动执行部分B中一次逆变驱动电路B1和二次逆变驱动电路B2以及高压稳弧驱动B3均接收来CPLD系统A2的驱动信号，然后分别与主电路1中的一次逆变1.2中的IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、主电路1中的二次逆变部分1.5中的IGBT5、IGBT6以及高压稳弧1.9中的IGBT7相连，完成相应的驱动任务。同时一次逆变驱动电路B1和二次逆变驱动电路B2均和保护电路A5相连，通过A5把保护信号输入给A2中的CPLD执行相应的保护动作。

前面板输入及显示部分C中的焊接参数给定C1、焊接参数显示C2与CPLD系统A2相连，并通过CPLD系统A2实现和DSP系统A1的信号接受和发送工作，完成焊接参数的设定和焊接过程电流、电压的显示。CPLD系统A2通过和送丝系统D中的光电隔离，实现与焊枪开关D1、气阀D3和送丝给定D2与送丝机调速电路D4相连。同时送丝机调速电路D4和外围部分3相连，实现焊接过程的平稳送丝和气阀的开启、关闭。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)焊接系统采用DSP+CPLD全数字化控制策略，大大增加了系统的可控性和精度，提高了系统的一致性。

2)增加了高压稳弧部分，使焊接过程中电极极性转变时刻不仅能在短路阶段实现，也能在燃弧阶段实现，拓展了控制的灵活度。

5)极性变换的EP到EN转变时刻选择在短路阶段，而EN到EP极性的转变时刻，选择在燃弧后的某一时刻。充分利用了极性正负对短路阶段实质无影响，而EN极性对燃弧阶段的焊丝熔化速度的加剧显著的特点，增加焊丝的熔化，减少母材的熔深，拓展了薄板焊接工艺范围区间。

附图说明

图1焊接系统结构组成图

图2焊接系统的主电路图

图3常规短路过渡电压、电流波形图

图4焊接过程电流电压波形图

图4(A)稳弧电压

图4(B)换向信号

图4(C)焊接电压

图4(D)焊接电流

图5DSP系统主程序软件方案图

具体实施方式

现在将结合附图对本实用新型的实施方式进行实例说明。

如图1所示为本实施例的总体系统框图。可以看出，焊接系统包括主电路1和以TMS320F2812DSP+EPM7192CPLD为核心的控制电路2以及外围部分3组成。其中主电路输入电压为三相380V交流；整流滤波电路1.1采用富士整流桥整流，型号为FUJ 6RI100G-160；一次逆变电路1.2采用全桥逆变结构，由两只型号为BSM150GB120DN2的IGBT组成；中频变压器1.3变比为7.5∶1；二次整流电路1.4由四只型号为RM300HA-24F二极管组成全波整流；二次逆变电路1.5由一只FF450R12KE4半桥型IGBT组成。电流采样莱姆1.7和电压采样莱姆1.8分别采用CHB-300S和CHV-25P宇波模块组成。高压稳弧则采用一只50A的IGBT和直流恒压源组成。控制电路部分2主要由基于TMS320F2812DSP系统A1和EPM7192型CPLD系统A2组成，其中DSP主要完成控制时序和参数的处理、PI计算等调节等功能，是整个系统的控制核心。CPLD主要完成的功能包括三部分：其一是作为外界和DSP之间信号连接的电平转换，使外围的5V电平的信号和DSP的3.3V电平的信号之间顺畅传递，比如和显示部分C以及送丝部分D之间的信号传递等；其二是接收来自A5的保护信号，以决定一次逆变和二次逆变的驱动信号的控制，进行保护作用；其三是接收来自DSP实时控制计算所得的结果和控制信号，生成PWM信号，然后传递给驱动部分B，产生驱动信号，来驱动主电部分的1.2和1.5以及1.9部分。

本实例焊机系统主电部分的工作顺序为：三相输入380V交流电首先经过1.1输入整流部分进行整流滤波后，变为高压直流(540V左右)。然后此直流电经过1.2一次逆变电路(此由控制电路部分2控制)进行逆变，再经过中频变压器1.3的降压隔离后变为20KHZ的交流电，随后经过二次整流部分1.4进行整流滤波，变为焊接所用的大电流低电压直流，再通过1.5的二次逆变，供给1.6焊接功率输出。由于本实用新型在由EP到EN的极性变化时处在短路阶段，此时处于电弧熄灭状态，故不需要稳弧措施；而在由EN到EP的过程，处于燃弧阶段，此时由于存在电流过零的问题，所以仅需要单向的高压稳弧1.9部分进行稳弧，以确保电弧不至于熄灭。

图2为本焊接系统的主电路图。其中BR1为图1中的1.1整流部分，它接收380伏的交流电，输出约540伏的直流电，通过C1和C2的滤波后，输入给由IGBT1-4组成的一次逆变部分1.2，此部分的驱动由DSP通过实时计算后得到的控制值输出给CPLD，CPLD部分通过计算得到对应的PWM驱动信号，然后经过驱动电路B1进行功率放大后进行驱动。此全桥电路通过中频变压器1.3将1.1整流后得到的高压直流电逆变为低电压大电流的高频交流电(此处为20KHz)，此交流电通过1.4进行整流后再次得到直流电，其通过二次逆变部分IGBT5和IGBT6分别开通或关断控制，实现交流焊接。由于焊机极性由EN到EP的转化过程发生在燃弧阶段，故需要由IGBT7组成的稳弧电压的进行稳弧。

部分2的组成及功能分别为：

核心控制部分A主要由TMS320F2812DSP和EPM7192型CPLD组成，包括四个输入部分。第一个输入部分是从一次逆变恒流控制之后经二次整流1.4输出的采样电流的输入和来自与电弧两端的采样电压，输入的电流采样及滤波A3和电压采样及滤波A4的信号以获得实时的焊接电压和电流值，其中电流采样及滤波A3采回焊接过程中的实际电流值If用于PI控制(比例积分控制)，实时调整电流偏差，实现闭环控制；电压采样及滤波A4采回焊接过程中的实际电压Uf用于燃弧阶段的电压控制，通过闭环控制实现燃弧段恒压控制的目的。第二个输入部分是通过CPLD获得的来自送丝部分D的焊枪开关D1的信号。第三个输入部分来源于通过CPLD获得的前面板的输入及显示部分C的焊接参数预置C1，获得焊接初始参数。第四个输入部分来自于保护电路A5，通过CPLD本身的控制实现对驱动执行部分B的驱动输出的控制，以进行保护。部分A作为核心控制部分，主要完成对焊接参数输入和外部信号的响应，并经过软件处理、计算和转换后对B、C、D三部分进行控制，使整个焊接系统协调工作，完成预定的焊接目的。

控制执行部分B，其输入为来自核心控制部分A中的EPM7192型CPLD部分，即A2部分。其功能主要包括两部分：其一是产生驱动信号，这包括一次逆变驱动电路的驱动B1、二次逆变的驱动信号B2以及高压稳弧驱动信号B3；其二是将接受到的来自一次逆变和二次逆变部分的保护信号通过保护电路A5传递给CPLD，以产生保护动作，即关断相应的PWM驱动输出。

前面板输入及显示部分C为外围设备控制及执行部分。焊接参数给定C1对核心控制部分A输入，实现焊接参数的设定，并通过焊接参数显示C2进行显示。当焊接时，核心控制部分A输出焊接电流和电压给焊接参数显示C2，使其能实时显示焊接电流和电压。

送丝系统D接收来源于焊枪开关D1的信号和部分A的输入，决定送丝给定D2和气阀D3的数值和状态，并通过D4输出控制外围部分3。

本实施例采用了时钟频率150MHz的DSP芯片TMS320F2812，作为交流短路过渡焊接控制系统核心，完成在电弧极性变换时，保持一次逆变后恒流、恒压源的幅值、二次逆变极性切换时刻、稳弧脉冲施加时间的同步；焊接过程中实时检测电弧电压，对电弧的输出波形进行调节，保持过程稳定；控制过程中实时数据处理。

图3是常规短路过渡电压、电流波形图。此图表示的是在焊接电源为直流时的焊接电压、电流波形示意图。图中Ts0和Ts1表示短路时间，Ta0和Ta1表示燃弧时间。由此图可以看出电压、电流在整个焊接过程中其值均大于零，即说明焊接过程为直流焊接。

图4是焊接过程电流电压波形图。图中(A)表示稳弧电压波形；图(B)表示换向信号，其中高电平表示EP极性，零电平表示EN极性；图(C)表示焊接电压；图(D)表示焊接电流，其中图(C)中的abcdefgh连线表示一个焊接周期的交流焊接电压波形；图(D)中uvwxyz连线标志一个焊接周期的交流焊接电流波形。

由图4可以看出，在t0时，焊接极性由EP开始到EN的换向，此时换向信号由高电平变为低电平(零电平)。从t0到t1阶段为发生短路阶段，此阶段在EN极性(由于此时发生短路，故EN或者EP极性在此对焊接过程中熔滴和母材的热输入没有太大区别)。从t1时刻开始，焊接过程进入燃弧阶段，此时刻极性仍然为EN极性，并由于是EN极性，将促使焊丝的熔化速度很快，而对熔池的熔化则较小。到t2时刻，换向信号由零电平变为高电平，焊接极性由EN开始向EP极性转变并完成此转变过程，此时刻后焊接极性变为EP。为了保证此转变过程中电弧不能熄灭，同时在此时刻增加稳弧电压并保持一定时间tw1，如图(A)中所示。从此t2时刻起焊接过程仍然处于燃弧阶段，且其极性保持为EP，对于熔滴的整形排斥作用较小。到t3时刻，熔滴再次与熔池接触，并再次进入短路阶段，从而由开始一个新的焊接周期。

交流短路过渡电弧焊接控制系统采用软件编程实现控制，既可以减少硬件控制系统的复杂性，又可以增强系统的柔性控制，同时保持了系统的控制一致性。并且由于采用的计算能力和运行速度极强的DSP，大大提高了系统的反应速度和精度。为了完成上面说的焊接过程，本实用新型的程序控制分两部分：焊接过程DSP系统程序控制和数字化PWM控制，下面分别进行详细说明。

DSP系统程序软件部分由以下几个部分组成：主程序、系统初始化程序、键盘扫描程序、采样程序、PI调节计算程序、引弧程序、焊接程序、收弧程序等，焊接过程控制主程序流程见附图5。其主程序具体执行顺序为：上电复位后，程序从初始地址开始运行，系统先执行系统初始化，完成各焊接参数和寄存器的初始值设定。然后执行键盘扫描程序，预置送丝速度V、焊接电压U、焊接电流I和EN比率等焊接参数用于焊接过程控制，并通过显示子程序把相关的参数设定显示。随后系统判断焊接开关是否打开，是则打开气阀D3，延时一段时间后在DSP系统A1中给定一个小的送丝速度控制送丝给定D2。然后启动定时采样程序和数字滤波程序，进入焊接各个阶段。首先进入大电流加直流引弧阶段，实行相应的PI算法，判断引弧是否成功，如果引弧成功则进入焊接程序。焊接程序在焊接的不同阶段，实行不同的PI控制，直到检测到焊接结束信号，则实行收弧程序后关闭脉宽调制、关闭电机，退出焊接状态。

在整个焊接过程中，采用数字化的PWM控制，在焊接的不同阶段，DSP系统A1把经过PI运算的数据传输给CPLD系统A2，在CPLD系统里产生数字化的PWM，并根据保护电路A5的状态相应的输出PWM信号给一次逆变驱动电路B1，达到一次逆变的输出功率的控制。

其中数字化的PWM由CPLD来完成，具体过程为：CPLD接收来自DSP系统的A1一个数量，此数量在0到4095之间，输入为0或小于0时，输出的PWM脉宽为0us，输入数量为4095或大于4095时，输出的PWM脉宽为最大20us(此时的逆变频率为20KHz)，输入数据在0到4095之间的数据，输出的PWM脉宽按照比例在0到200us之间变化。此处生成的PWM相位严格保证互成180度，并且成对出现，且每对脉冲大小相等。

以上所述为本系统及其控制方法的一个实例，我们还可对其进行一些变换。比如主电路部分可以采用半桥逆变电路代替全桥形式，控制部分用其他DSP或单片机代替TMS320F2812实现其功能，或用其它型号的CPLD代替EPM7192SQC等等。只要其系统及控制思想与本实用新型所叙述的一致，均应视为本实用新型所包括的范围。

Claims (1)

1、一种短路过渡焊接系统，包括主电路(1)，所述的主电路(1)包括整流滤波电路(1.1)、一次逆变电路(1.2)、中频变压器(1.3)、二次整流电路(1.4)、二次逆变电路(1.5)、电弧能量输出(1.6)、电流莱姆(1.7)和电压莱姆(1.8)和高压稳弧(1.9)；其特征在于：还包括控制电路(2)和外围部分(3)：其中：控制电路(2)包括核心控制部分(A)、驱动执行部分(B)、前面板输入及显示部分(C)和送丝系统(D)；外围部分(3)包括送丝机和气瓶；所述核心控制部分(A)包括DSP系统(A1)、CPLD系统(A2)、电流采样及滤波(A3)、电压采样及滤波(A4)以及保护电路(A5)；驱动执行部分(B)包括一次逆变驱动电路(B1)、二次逆变驱动电路(B2)以及高压稳弧驱动(B3)；前面板输入及显示部分(C)包括焊接参数给定(C1)和焊接参数显示(C2)；送丝系统(D)包括焊枪开关(D1)、气阀(D3)、送丝给定(D2)和送丝机调速电路(D4)；

所述的控制电路(2)中的核心控制部分(A)中的电流采样及滤波(A3)和电压及采样滤波(A4)的一端与DSP系统(A1)相连，另一端分别与主电路(1)中的电流莱姆(1.6)和电压莱姆(1.7)相连；DSP系统(A1)与CPLD系统(A2)相连；CPLD系统(A2)通过一次逆变驱动电路(B1)与主电路(1)中的一次逆变电路(1.2)相连，通过二次逆变驱动电路(B2)与主电路(1)中的二次逆变电路(1.5)相连，通过高压稳弧驱动(B3)与主电路(1)中的电弧能量输出(1.6)相连；保护电路(A5)的一端与CPLD系统(A2)相连，另一端与驱动执行部分(B)中的一次逆变驱动电路(B1)和二次逆变驱动电路(B2)相连；

所述前面板输入及显示部分(C)中的焊接参数给定(C1)、焊接参数显示(C2)均与CPLD系统(A2)相连；

所述的CPLD系统(A2)通过光电隔离与焊枪开关(D1)、气阀(D3)和送丝给定(D2)相连，焊枪开关(D1)、气阀(D3)和送丝给定(D2)通过送丝机调速电路(D4)与外围电路(3)相连。

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