CN205380347U - 一种高斯脉冲弧焊电源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高斯脉冲弧焊电源系统，包括电源、主电路模块、控制电路模块；其中主电路模块包括第一整流滤波单元、开关单元、中频变压单元、第二整流滤波单元；电源、第一整流滤波单元、开关单元、中频变压单元、第二整流滤波单元依次连接；控制电路模块包括数字信号处理器，驱动单元；数字信号处理器与驱动单元相连接；驱动单元用于输出以高斯曲线变化的驱动信号对开关单元进行控制。本实用新型的高斯脉冲弧焊电源系统能有效搅拌熔池、减少气泡和产生鱼鳞纹焊缝的效果。

Description

一种高斯脉冲弧焊电源系统

技术领域

本实用新型涉及焊接领域，具体而言涉及一种通过高斯函数波形去调制焊接过程的脉冲电流的电源系统。

背景技术

合金是一种在制造业中广泛使用的轻质合金材料，具有比重小、质量轻、强度高、抗腐蚀性好、回收再利用方便的特点。但是铝合金材料的焊接困难问题一直是制约其广泛使用的障碍，与传统的黑色金属材料相比，铝合金有热导率大、易氧化、材质较软、热强性低等特点，焊接过程中飞溅较多，极易焊塌陷和产生气孔，其焊接方法一直是研究中的难点。脉冲熔化极惰性气体保护焊（pulsedmetalinertgaswelding，PMIG）是一种可行的铝合金焊接方法，它具有较宽的电流调节范围，较快的焊接速度，有利于实现全位置焊接，可有效控制焊接热量输入等特点，适合于热敏感性强的铝合金材料的焊接。但是单脉冲铝合金焊接过程中焊缝容易夹杂气孔，双脉冲铝合金焊接能有效搅动熔池，大大降低焊缝中的气孔率，但是焊接过程对工艺参数匹配区间要求严格，在区间以外的焊接质量下降很快，对于薄板的焊接更是如此，参数设置也过于复杂，因此需要一种新的焊接电源系统。

实用新型内容

本实用新型采用如下技术方案：一种高斯脉冲弧焊电源系统，包括电源、主电路模块、控制电路模块；其中主电路模块包括第一整流滤波单元、开关单元、中频变压单元、第二整流滤波单元；电源、第一整流滤波单元、开关单元、中频变压单元、第二整流滤波单元依次连接；控制电路模块包括数字信号处理器，驱动单元；数字信号处理器与驱动单元相连接；驱动单元用于输出以高斯曲线变化的驱动信号对开关单元进行控制。

在一些实施方式中，所述数字信号处理器还包括高斯脉冲软件控制单元，用于输出脉冲宽度调制波。

在一些实施方式中，所述开关单元是绝缘栅双极性晶体管的软开关全桥逆变电路。

在一些实施方式中，所述控制电路模块还包括光耦隔离器，用于放大和传送脉冲驱动信号。

在一些实施方式中，所述控制电路模块还包括模数转换模块，用于将主电路模块信号转换成数字信号输入数字信号处理器。

在一些实施方式中，所述高斯脉冲弧焊电源系统还包括数字化面板，连接控制电路模块，用于人机交互。

在一些实施方式中，所述数字信号处理器还包括软件调试接口，用于烧写调试程序到数字信号处理器。

在一些实施方式中，所述控制电路模块还包括送丝电路，用于输出控制信号控制送丝机工作。

使用本实用新型的高斯脉冲弧焊电源系统，有效搅拌熔池、减少气泡和产生鱼鳞纹焊缝的效果。

附图说明

图1是本实用新型的高斯脉冲弧焊电源系统的一个实施例框图；

图2是本实用新型的高斯脉冲弧焊电源系统的数字信号处理器的一个实施例框图；

图3（a）是是本实用新型的高斯脉冲弧焊电源系统中现有技术双脉冲焊接电流波形的示意图；

图3（b）是本实用新型的高斯脉冲弧焊电源系统中经过高斯函数调制脉冲焊接电流波形示意图；

图3（c）是本实用新型的高斯脉冲弧焊电源系统中主电路模块输出电流波形示意图；

图4是本实用新型的高斯脉冲弧焊电源系统中工作过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步说明，但是本实用新型的保护范围并不局限于实施方式表述的范围。

请参考图1，图1是本实用新型的高斯脉冲弧焊电源系统的一个实施例框图。

所述一种高斯脉冲弧焊电源系统，包括电源101、主电路模块102、控制电路模块103；其中主电路模块包括第一整流滤波单元104、开关单元105、中频变压单元106、第二整流滤波单元107；电源101、第一整流滤波单元104、开关单元105、中频变压单元106、第二整流滤波单元107依次连接；控制电路模块103包括数字信号处理器108，驱动单元109；数字信号处理器108与驱动单元109相连接；驱动单元109用于输出驱动信号控制开关单元105。所述驱动信号是以高斯曲线变化的。高斯曲线方程为：其中所述方程中e为自然数，a为高斯曲线的幅值。通过对其求导可知，曲线是无限阶可导的光滑曲线。高斯曲线能量集中，可控性好，参数设置简单。

这些单元可通过专门的器件来实现，作为示例，所述单元可由单片机、现场可编程门阵列等通用硬件处理器来实现，也可通过专用芯片等专用硬件处理器来实现。

所述电源101输出380V的三相交流电。三相交流电是由三个频率相同、电势振幅相等、相位差互差120°角的交流电路组成。380V三相交流电经过第一整流滤波单元104整流和滤波后，输出低纹波高压直流电。然后经过开关单元105和中频变压器106进行直流到交流的变换。输出交流电到第二整流滤波单元107。将中频电压单元106的输出电流经过第二整流滤波单元107后成直流电在输出端。输出的直流电为焊接电弧负载提供所需要的能量。开关单元105有接通和断开两种状态，由驱动信号所控制。开关单元105可采用三极管等器件实现。

数字信号处理器108是微处理器，可对数字信号进行处理。特别的，数字信号处理器108采用高速的嵌入式数字信号处理器DSPTMS320F2808，数字信号处理器108发送驱动信号给驱动单元109，驱动单元109输出脉冲驱动信号到开关单元105控制其实现接通和断开。

通过上述方式，可以通过数字信号处理器108输出的驱动信号对开关单元105进行控制，从而调制主电路通过开关单元105的电流信号。

参考图2，图2是本实用新型的高斯脉冲弧焊电源系统的数字信号处理器108的一个实施例框图。

在一些实施方式中，所述数字信号处理器108还包括高斯脉冲软件控制单元201，用于输出脉冲宽度调制波。高斯脉冲软件控制单元201输出脉冲宽度调制波到驱动单元109。

在一些实施方式中，所述开关单元105是绝缘栅双极性晶体管的软开关全桥逆变电路。绝缘栅双极晶体管（Insulate-GateBipolarTransistor—IGBT）是三端器件，其中包括栅极，集电极和发射极。通过电压信号可以控制其接通和断开状态。具体的，所述软开关全桥逆变电路包括两个逆变桥臂，每个逆变桥臂各有两个单元的绝缘栅双极晶体管。基于上述设计，能够对强电流高压主电路模块102上应用开关功能。

在一些实施方式中，所述控制电路模块103还包括光耦隔离器110，用于放大和传送脉冲驱动信号。将光耦隔离器110放在驱动单元109的输出端，光耦隔离器110放大脉冲驱动信号，经放大的脉冲驱动信号输入到开关单元105。光耦隔离器110使主电路模块102与控制电路模块103的两部分电路之间没有电的直接连接，防止因有电的连接而引起的干扰，特别是低压的控制电路与外部高压电路之间。

在一些实施方式中，所述控制电路模块103还包括模数转换模块111，用于将主电路模块信号转换成数字信号输入数字信号处理器108。具体的，模数转换模块111连接开关单元105的输出端，转换开关单元105的输出端的模拟信号到数字信号。模数转换模块111连接第二整流滤波单元107的输出端，转换第二整流滤波单元107的输出端的模拟信号到数字信号。数字信号处理器108中集成电流电压检测反馈功能，根据反馈得到的电流和电压情况，调整输出脉冲宽度调制波。通过上述反馈功能，能够及时调整输出到焊接电弧负载的直流电，以解决在焊接过程中出现的问题。

特别的，所述开关单元105用于调制方波强脉冲群。主电路模块105输出是强弱交替脉冲群，强脉冲群电流大小经过调制，按照高斯函数曲线变化，弱脉冲群没有经过高斯函数调制。

进一步参考图3（a），图3（a）是本实用新型的高斯脉冲弧焊电源系统中现有技术双脉冲焊接电流波形的示意图。图中分别示有强脉冲群和弱脉冲群。强脉冲群与弱脉冲群交替出现。

参考图3（b），图3（b）是本实用新型的高斯脉冲弧焊电源系统中经过高斯函数调制脉冲焊接电流波形示意图。图中的电流波形是经过高斯函数调制。

参考图3（c），图3（c）是本实用新型的高斯脉冲弧焊电源系统中主电路模块105输出电流波形示意图。所述主电路模块105输出是强弱交替脉冲群，强脉冲群电流大小按照高斯函数曲线变化，弱脉冲群没有经过高斯函数调制。强脉冲群与弱脉冲群交替出现，每组脉冲群由若干个单脉冲构成。强弱脉冲群切换平滑，产生了双脉冲焊接的效果，但又能够有效搅拌熔池，减少气泡。

在一些实施方式中，所述系统还包括数字化面板112，连接控制电路模块103，用于人机交互，拓展了电源系统的可操作性。

在一些实施方式中，所述数字信号处理器108还包括软件调试接口202，用于烧写调试程序到数字信号处理器108。软件调试接口202可通过电脑USB接口少些调试程序到数字信号处理器108。通过上述方式，拓展了电源系统的可操作性。

在一些实施方式中，所述控制电路模块103还包括送丝电路113，用于输出控制信号控制送丝机114工作。

高斯脉冲软件控制单元201先向人机交互系统发送焊接开始信号，并接收获取焊接参数，开始特殊电流起弧，起弧成功后进入正常焊接过程，焊接过程是高斯强脉冲群和弱脉冲群交替出现，并通过对弧长和短路做判断调整基值时间和送丝速度。

用高斯函数来调制可产生强弱交替的脉冲群，以焊接5mm厚度的铝合金板材为例，具体实现方法是：

在数字处理器中通过软件设定单个脉冲的峰值电流大小为300A、峰值持续时间为2ms，基值电流大小为50A、基值持续时间为3ms，单个脉冲频率为200HZ。

经过工艺实验，可选定需要进行高斯曲线调制的脉冲个数为32个，作为强脉冲群，如图3（b）所示，峰值电流大小变为：其中为在上述设定的单个脉冲的峰值电流大小；不需要高斯曲线调制的脉冲个数为21个，作为弱脉冲群。

进一步参考图4，图4是本实用新型的高斯脉冲弧焊电源系统中工作过程流程图。

具体的，高斯强脉冲峰值电流和时间是Ips，tps，高斯强脉冲基值电流和时间是Ibs，tbs。当判断弧长U＞Umaxs时，可以通过增加基值时间tbs来调整。当判断弧长U＜Umins时，可以通过减少基值时间tbs来调整。当判断出现短路情况，可以通过增加峰值电流Ips减少送丝速度。弱脉冲峰值电流和时间是Ipw，tpw，弱脉冲基值电流和时间是Ibw，tbw。当判断弧长U＞Umaxw时，可以通过增加基值时间tbw来调整。当判断弧长U＜Umins时，可以通过减少基值时间tbw来调整。当判断出现短路情况，可以通过增加峰值电流Ipw减少送丝速度。如此循环反复。焊接结束时，同时进入收弧控制程序，采用阶梯电流填坑和削球。收弧结束后，向人机交互系统发送焊接结束信号，控制系统回到等待下一次焊接的状态。通过上述方式，高斯曲线能量集中，可控性好，能增加强脉冲群热输入的集中性，也具有搅动熔池释放汽包和控制平均电流大小的效果，适合对热量输入控制要求较高的各种厚度的铝合金的焊接。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的（但不限于）具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.一种高斯脉冲弧焊电源系统，包括电源、主电路模块、控制电路模块；其中主电路模块包括第一整流滤波单元、开关单元、中频变压单元、第二整流滤波单元；电源、第一整流滤波单元、开关单元、中频变压单元、第二整流滤波单元依次连接；控制电路模块包括数字信号处理器，驱动单元；数字信号处理器与驱动单元相连接；驱动单元用于输出以高斯曲线变化的驱动信号对开关单元进行控制。

2.根据权利要求1所述的高斯脉冲弧焊电源系统，其特征在于，所述数字信号处理器还包括高斯脉冲软件控制单元，用于输出脉冲宽度调制波。

3.根据权利要求2所述的高斯脉冲弧焊电源系统，其特征在于，所述开关单元是绝缘栅双极性晶体管的软开关全桥逆变电路。

4.根据权利要求3所述的高斯脉冲弧焊电源系统，其特征在于，所述控制电路模块还包括光耦隔离器，用于放大和传送脉冲驱动信号。

5.根据权利要求4所述的高斯脉冲弧焊电源系统，其特征在于，所述控制电路模块还包括模数转换模块，用于将主电路模块信号转换成数字信号输入数字信号处理器。

6.根据权利要求5所述的高斯脉冲弧焊电源系统，其特征在于，所述高斯脉冲弧焊电源系统还包括数字化面板，连接控制电路模块，用于人机交互。

7.根据权利要求6所述的高斯脉冲弧焊电源系统，其特征在于，所述数字信号处理器还包括软件调试接口，用于烧写调试程序到数字信号处理器。

8.根据权利要求7所述的高斯脉冲弧焊电源系统，其特征在于，所述控制电路模块还包括送丝电路，用于输出控制信号控制送丝机工作。