第7章 弧焊电源的控制

第7章弧焊电源的控制7.1弧焊电源控制系统的概述7.2弧焊电源控制系统的关键技术7.3弧焊电源的单片机控制7.4弧焊电源的全数字化控制7.5弧焊电源的智能控制7.6机器人用弧焊电源7.7数字式控制弧焊电源产品介绍7.1弧焊电源控制系统的概述7.1.1弧焊电源的控制方法分类对弧焊电源的控制方法可有不同的分类方法，按控制装置来分，主要有：机械式控制、电磁式控制、电子式控制和数字式控制,如图7-1所示。按控制方法来分，主要有：PID控制、自适应控制、模糊逻辑控制、人工神经网络控制等。按控制内容来分有外特性控制、动特性控制和工艺程序控制等等。弧焊电源机械控制型抽头式弧焊变压器弧焊整流器动铁式、动圈式弧焊变压器弧焊整流器电磁控制型磁放大器式弧焊整流器弧焊发电机电子控制型晶闸管式弧焊电源晶体管式弧焊电源弧焊逆变器方波交流弧焊电源数字控制型单片微机MCUDSP(数字信号处理器）ARM嵌入式处理器图7-1弧焊电源控制方法的分类7.1.2弧焊电源各种控制方法的特点采用机械装置来控制弧焊接电源的外、动特性方法有：动铁式、动圈式、抽头式弧焊变压器，弧焊整流器等。它是通过机械移动铁心或绕组的位置，或换接抽头来改变漏抗和控制漏抗，从而控制弧焊电源的外特性。其动特性取决于弧焊电源自身的结构及其电气参数。机械式控制的弧焊电源的特点是结构简单结实、工作可靠。其规范参数有级调节，在建筑工地等场合还在使用。但是它们的无功损耗大、控制性能差，不能做到精细的控制，只能用在对焊接质量要求不太高的场合。磁式控制的弧焊电源有串联饱和电抗器式弧焊变压器、磁放大器式弧焊整流器和弧焊发电机等。它们靠改变主回路中饱和电抗器的磁饱和程度来控制弧焊电源的外特性，其外、动特性也主要取决于弧焊电源本身的结构。电磁式控制弧焊电源的特点是工作可靠性高，但是磁惯性大、调节速度慢、不灵活，体积和重量都很大，效率低，它们将逐渐被淘汰。我国已明令禁止生产磁放大器式弧焊电源，而弧焊发电机也只生产少量的柴油发电机式，用于野外施工无动力供应的场合。7.1.2弧焊电源各种控制方法的特点电子式控制的弧焊电源无论是弧焊电源的外特性还是动特性，都完全采用电子电路进行控制，包括电流、电压波形的任意控制，而与自身的结构没有决定性关系。电子式控制的弧焊电源主电路采用电力电子功率器件进行功率调节，常用的器件有晶闸管、晶体管、场效应管和IGBT等；采用微电子集成IC为核心的控制电路，使弧焊电源的性能得到大幅度的提升。电子式控制的弧焊电源的主要特点是：控制精度高，可控性好；参数调节范围宽，可调参数多；动特性好，动态响应速度快；高效、节能省材。数字式控制的弧焊电源是在电子式控制弧焊电源的基础上，以单片微处理器、DSP、ARM嵌入式芯片为核心实现弧焊电源的部分或全数字化控制。目前在弧焊电源中常用的微处理器有：各种型号的单片微机，有8位和16位的；DSP数字信号处理器，主要有通用型，如美国TI公司的TMS3202xx系列；32位的嵌入式ARM微处理器也开始在弧焊电源中使用。7.1.3对弧焊电源控制系统的要求电子、数字式控制类弧焊电源，与传统的电源区别，它的外特性、调节特性、动特性，除了与结构有一定的关系外，更重要的还受控制于电子、微电子电路。而且它干的往往是“细活”。因而对它的要求也较高，除要求它完成上述的四个基本要求的“宏观”控制任务外，还要求对其静、动态特性，输出的焊接电流、电压波形，引弧、收弧，脉冲波形，多焊接参数的优化匹配等等，进行任意的“微观”控制与变换，还包括工艺时序控制，以便实现高性能、高速度、高质量和对多种贵重材料的自动、半自动焊接，以及具有多功能、柔性的特点。有关电子控制技术原理，在上述电子式控制的弧焊电源中已作较详细的介绍，本章主要介绍数字式控制技术。7.2弧焊电源控制系统的关键技术7.2.1工艺时序控制技术各种焊接方法都要按照一定的程序操作焊接过程，如图7-2a所示为带高频引弧器的TIG弧焊逆变器工艺控制时序。焊枪开关接通后，弧焊电源的控制电路开始工作，Ar保护气电磁阀开通；延时后，高频引弧器开通引燃电弧，引弧成功后高频引弧器关断。电流在电弧引燃时经过短暂的峰值后回到维弧电流，经过一段预热延时后缓升到正常值。在焊接结束前电流要缓降到维弧电流，经过一段延时后再降为零。送气阀经过延时后再关断。预热缓升正常焊接焊接电流缓降填弧坑后通气保护气体a)图7-2弧焊工艺控制时序a)TIG焊（带高频引弧）工艺时序b)CO2焊工艺时序b)保护气体焊接电压送丝速度焊接电流填充弧坑防止粘丝7.2.2引弧和收弧控制技术对于熔化极气体保护焊，在引弧过程中由于焊丝和工件的接触不可避免地存在抖动，电压产生剧烈震荡，电流上升缓慢，引燃电弧较为困难。图7-3a在引弧过程中，在空载电压上维持有一段时间，电流上升迅速，引弧时间短，引弧顺畅，电弧声音柔和。在收弧过程中，电流应缓慢减少到零，让焊丝回烧以填平弧坑，减少弧坑裂纹等焊接缺陷。若收弧过程中电流冲击比较严重，焊接电流和电弧电压的抖动都比较剧烈，收弧过程不稳定，焊接过后有较大的弧坑出现。图7-2-2b的收弧过程比较好，焊接电流波形比较稳定，纹波抖动也较小，电流平缓降低，收弧过程效果较好。图7-3MAG焊的引弧收弧过程a)引弧过程b)收弧过程7.2.3一元化调节技术在焊接规范的调节中，焊接电流和电压需要有很好的配合，不同焊接方法其电流和电压之间的关系也不同。在某一焊接电流值下，有一个对应的最佳电压值，只有电流和电压合理搭配才能使焊丝的熔滴过渡最稳定。电流与电压之间的搭配关系可以从大量焊接工艺试验中得到的，并可绘制出一条一元化曲线。在焊接过程中，通常采用的是电压优先的一元化参数调节。根据焊接材料和焊丝直径的不同，将电源电压给定电压信号依据一定的比例变换后，作为送丝电机的控制电压，使送丝速度随着弧焊电源输出电压的增大而增大，从而使输出电流随之增大。7.2.4弧焊电源的波形控制技术在熔化极气体保护焊中，熔滴的形成、尺寸、过渡模式和熔滴行为等是影响焊接工艺性能、焊缝成形和焊接质量的重要因素，熔滴过渡及行为一直是焊接工作者研究的热点。在熔化极气体保护焊中，典型的熔滴过渡模式有CO2短路过渡和脉冲MIG焊的射滴过渡，研究熔滴过渡模式及行为的目的之一是要对熔滴过渡过程加以控制。7.2.4.1短路过渡的波形控制技术在CO2焊中小电流规范下，熔滴主要是短路过渡，它是在电压较低，弧长较短的时候发生的，是燃弧与短路交替进行的不规则周期性变化过程。在短路过渡过程中，焊接电流起着极其重要的作用。焊接电流的大小及变化率既控制焊丝的熔化，熔滴过渡过程，又影响飞溅的产生和焊缝成形。而焊接电流是焊机输出特性和电弧特性综合作用的结果。焊接工作者研究出各种有效的控制方法。典型的有：恒压特性控制法、复合外特性控制法、波形控制法、脉动送丝控制方法等。较为典型的控制方法有双L型输出特性、双阶梯输出特性。在波控法中，比较成功的是美国林肯公司的表面张力过渡（STT：SurfaceTensionTransform）。弧焊电源工作于短路过渡方式，在CO2焊过程实时测量电压与电压变化率，弧焊电源在一个过渡周期内根据不同电弧电压值（电弧状态）输出不同的焊接电流。STT弧焊电源将短路过渡过程细分为七个阶段加以控制，即：短路前燃弧期、液桥形成段、颈缩段、液桥爆断段、重燃弧段、稳定燃烧段、燃弧后期段，如图7-2-3所示。7.2.4.1短路过渡的波形控制技术U/VI/A1II2I3I4I5tt0t1t2t3t4t5t6t7图7-4STT弧焊电源的电压电流7.2.4.2脉冲电流的波形控制技术常规MIG/MAG焊工艺，只有当焊接电流大于临界电流时才能得到稳定的喷射过渡,包括射滴过渡和射流过渡,然而临界电流往往比较高，不宜用于焊接薄板和全位置焊缝。为此，又发明了脉冲MIG/MAG焊法。该法可以将焊接电流平均值减小到50～60A仍能获得稳定的焊接过程，扩大了MIG/MAG焊的使用电流范围。脉冲MIG焊工艺是一种焊接质量比较高的熔化极气体保护焊方法。它具有熔滴过渡过程可控，平均电流比GMAW焊喷射过渡的临界电流低，因而母材热输入量低，焊接变形小，适于全位置焊接，生产效率高。脉冲MIG焊的熔滴过渡形式为：多脉一滴、一脉一滴和一脉多滴，其中一脉一滴是所有过渡形式中最理想的一种，要获得这种熔滴过渡形式，焊接参数之间的配合尤为重要。脉冲焊工艺参数多，除了电弧电压、送丝速度和焊接速度外，还有脉冲参数，包括峰值电流Ip、峰值时间tp、基值电流Ib和基值时间tb,如图7-5所示。7.2.4.2脉冲电流的波形控制技术图7-5脉冲MIG焊的脉冲参数示意图电流I/AtptbIbIp时间t/s7.2.4.2脉冲电流的波形控制技术1．Synergic控制法Synergic控制法是英国焊接研究所发明的一种脉冲MIG焊电弧控制方法，是目前已发展的脉冲MIG焊控制系统中应用最为广泛的一种方法。它解决了众多脉冲参数调节的不便，实现了脉冲MIG焊的单旋钮控制。其原理为：弧焊电源的外特性采用恒流特性，通过两条恒流外特性曲线的切换实现脉冲焊接，给定送丝速度，按照一定的数学模型来控制脉冲参数，使焊丝熔化速度自动与送丝速度相协调而保持弧长的稳定和最佳的熔滴过渡方式。其优点是随着送丝速度的变化，脉冲频率（或脉冲宽度）发生相应的变化，但该控制方法对送丝速度以外的因素引起的弧长扰动没有调节作用，因为它对弧长（电弧电压）的扰动而言是开环控制。7.2.4.2脉冲电流的波形控制技术2．脉冲门限控制系统它是通过设立电弧电压的门限值来控制弧长，弧焊电源的外特性为“口”字形，如图7-6所示。在脉冲与维弧期间均工作在恒流状态，而脉冲频率（即脉冲持续时间）由弧长的给定电压和实际反馈电压的偏差来决定。ABIIbIpU0La2La1图7-6MIG焊门限控制法的输出外特性7.2.4.2脉冲电流的波形控制技术3．QH-ARC控制法在脉冲焊接中，维弧若采用恒压特性遇到干扰时易于产生断弧，若采用恒流特性则容易发生短路。为了克服上述缺点，清华大学的潘际銮院士提出了双阶梯形外特性，如图7-7a所示。图7-7QH-ARC控制法a)双阶梯形外特性b)方框外特性a)UI1l2l1I2IOIUUU′l2l1l0I2′I2Ob)7.2.4.2脉冲电流的波形控制技术4．闭环控制法利用弧长信号闭环反馈控制脉冲参数,提出了一种弧长闭环脉冲MIG焊控制方法，该方法通过采样每一周期中脉冲的某个特定对应点的电弧电压作为弧长信号闭环反馈，调整脉冲参数(基值时间tb)，实现对脉冲MIG焊的控制。为确保一脉一滴,预置单元能量(Ip和Tp)并设定Ib不变。这种方法有较强的抗弧长扰动能力,但送丝速度的波动引起过程不稳定。与此相对,Synergic控制法注意了送丝速度的影响,而忽视了弧长扰动的影响。两者结合产生了综合控制法。5．综合控制法该方法综合了Synergic控制法和自适应闭环控制法的优点。电压和送丝速度的反馈信号均用于控制脉冲频率，而峰值电流和峰值时间的单元能量恒定，以期得到一脉一滴的熔滴过渡。该方法弧长控制性好，焊接质量高，只要保证峰值电流Ip和峰值时间Tp满足一定的匹配关系，就能实现一脉一滴。7.2.4.2脉冲电流的波形控制技术6．中值波形控制法对于脉冲MIG焊工艺，一脉一滴是所有过渡形式中焊接质量最好的，此时熔滴的大小与焊丝直径相当，这可用一种新的脉冲电流的中值波形控制法来实现，如图7-8所示的三种中值波形形状，分别为：前中值、中间中值和后中值。图7-8三种值电流波形a)前中值波形b)中中值波形c)后中值波形7.3弧焊电源的单片机控制随着电子技术和信息技术的进步，弧焊电源向着数字化方向发展。弧焊电源的数字化包括两方面的内容：(1)主电路的数字化。电力电子技术的发展为焊接装备的数字化提供了条件，大功率电力电子器件的出现，使弧焊电源的主电路由模拟工作状态变为开关状态，完成了主电路从模拟到数字化的跨越，当前弧焊逆变器已成为焊机生产中的主流产品和重点发展方向。(2)控制电路的数字化。它们是以单片机、DSP或ARM嵌入式微处理器为控制核心，通过软件编程实现弧焊