專利名稱：Co的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種用于焊接技術(shù)領(lǐng)域焊接電源的調(diào)節(jié)方法，特別是一種控制逆變弧焊電源動特性的CO2焊的全數(shù)字時序適應(yīng)性調(diào)節(jié)方法。
背景技術(shù)：
CO2氣體保護(hù)焊具有低成本、高效率的特點，在低碳鋼、低合金、薄板鋼結(jié)構(gòu)及全位置焊接的場合，具有廣闊的應(yīng)用前景。但因其自身特點CO2短路過渡焊存在著飛濺大、成形不好等問題。其中通過焊接設(shè)備實現(xiàn)對電弧和熔滴的控制是最為有效的方法。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)?7103550.2，名稱為控制短路型焊接系統(tǒng)的方法和裝置。表面張力過渡是一種比較復(fù)雜的波形控制方法，這種控制方法的特點是在短路液態(tài)金屬小橋產(chǎn)生的前后時間段里將電流迅速減小(以微秒為單位)，讓熔滴靠自身的表面張力從焊絲向熔池過渡，而小橋段里以大電流快速使小橋頸縮，在熔滴短路期間內(nèi)形成一個兩邊小中間大的尖脈沖電流波形。在焊絲脫離熔池后的一小段時間里(2ms內(nèi))又以一大電流形成等離子助推過程，增加剛?cè)计痣娀〉娜紵β?，該時間過后將電流衰減到基值電流。該方法在降低飛濺方面很有效果，但有以下兩個不足，一是難以適應(yīng)手工半自動焊過程中焊絲干伸長的不斷變化；二是僅靠表面張力過渡的可靠性低，焊接過程的穩(wěn)定性較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種CO2焊的全數(shù)字時序適應(yīng)性調(diào)節(jié)方法，使其能很好的適應(yīng)焊接過程中焊絲干伸長不斷變化的情況，而且在熔滴較大僅靠表面張力不能順利過渡到熔池中的情況下靠電磁力使其被強迫過渡至熔池中，以此來保持焊接過程的穩(wěn)定性。且飛濺很小，小于3％，焊縫成形美觀，調(diào)節(jié)方便，在60A-280A范圍都得到良好的效果。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明執(zhí)行CO2焊接電源系統(tǒng)中的控制方法，實現(xiàn)完全的短路過渡過程的全數(shù)字式時序適應(yīng)性調(diào)節(jié)控制，數(shù)字信息處理器DSP數(shù)控CO2焊接電源的控制方法包括對CO2短路過渡焊的全過程數(shù)字化時序適應(yīng)性調(diào)節(jié)控制，針對手工半自動焊過程中焊絲干伸長的不斷變化進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)以保證焊接過程的穩(wěn)定性，當(dāng)進(jìn)入數(shù)字信息處理器DSP的高級中斷程序中時執(zhí)行瞬時短路控制及對短路階段短路電流上升斜率di/dt的控制等對短路過渡過程的全數(shù)字式時序控制。
所述的短路過渡過程的全數(shù)字式時序適應(yīng)性調(diào)節(jié)控制，為適合CO2焊的工藝要求而采用多種方法，包括開環(huán)控制，閉環(huán)控制，對焊矩干伸長變化及弧長變動的適應(yīng)調(diào)制。
所述的短路過渡過程的全數(shù)字式時序適應(yīng)性調(diào)節(jié)控制，每個時序的控制時間和脈寬調(diào)制波PWM的控制脈寬隨焊接電弧及熔滴的狀態(tài)不同是可以調(diào)節(jié)的，并根據(jù)弧長的波動情況進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)，可省略某一階段，脈寬調(diào)制波PWM波的發(fā)生方式為直接由數(shù)字信息處理器DSP芯片經(jīng)計算或查表預(yù)置參數(shù)的方式按控制時序要求產(chǎn)生。
為了針對所述的焊接電源的輸出電流，實現(xiàn)各個階段的控制特性調(diào)節(jié)電壓，本發(fā)明采用了焊接過程各階段的程序控制法，具體如下(1)短路初期小電流階段(t0-t1)在短路狀態(tài)即將發(fā)生的時刻，基礎(chǔ)電流已經(jīng)降到很低的水平(75A)這樣在短路階段可以有效的避免瞬時短路的發(fā)生。
(2)短路中期大電流階段(t1-t2)在(t0-t1)時刻結(jié)束后，立即將電流以比較大的斜率上升到一個給定值(低于150A)以便于形成穩(wěn)定的縮頸。這一過程非常重要，因為此時的電流一旦超過150A或是200A時熔化的液態(tài)金屬將被排斥、拋出熔池而形成較大的飛濺，并且因為液體小橋不能夠穩(wěn)定的建立起來，易導(dǎo)致斷弧現(xiàn)象的發(fā)生。
(3)熔滴金屬過渡階段(t2-t3)在縮頸形成的之后，立即降低電流的上升速度使電流以一個很低的斜率上升。這一方式起著兩個很重要的作用首先，在電流較低的情況下，熔滴可以穩(wěn)定的向熔池中過渡，并有效的減小熔池金屬溢出；其次，在短路過程結(jié)束之后液體小橋可以在較低的峰值電流(Im)下破斷，所以可以有效的減少此一時刻產(chǎn)生的飛濺。
(4)以小電流過渡到燃弧階段(t3-t4)在焊絲即將和熔池脫離接觸的時刻迅速降低電流值，減少對熔池的振蕩，這一過程將有益于獲得良好的焊縫形狀。通過對負(fù)載電壓的檢測，可以判斷短路熔滴過渡完成，進(jìn)入再燃弧階段。
(5)再燃弧電流脈沖階段(t4-t5)在燃弧階段的開始時刻，焊絲將很快的回?zé)?，此時在加入一個較高的燃弧電流(就是提高再燃弧能量)。這一控制方式可以使電弧穩(wěn)定的建立起來，利于焊接過程的穩(wěn)定，而且也同樣利于形成良好的焊縫。
其中熔滿金屬過渡階段(t2-t3)時間段是彈性的，可適應(yīng)熔池波動和弧長的變動(焊矩的抖動)及焊絲干伸長變化等因素的干擾；同時又能保證熔滴可以正常的過渡到熔池中去，維持焊接過程的穩(wěn)定性。
現(xiàn)以送絲速度固定，焊矩的干伸長發(fā)生變動及弧長變化為例來說明其調(diào)節(jié)方法(因這兩種情況都導(dǎo)致燃弧階段電壓的變化)CO2焊電流及電壓匹配公式為Uog＝14+0.05Io(1)由公式(1)可知，當(dāng)焊接電流Io即送絲速度給定時，焊接電壓值Uo也相應(yīng)的具有一個合適的值。所以當(dāng)焊接規(guī)范選擇合適時，過渡頻率恒定，焊接過程平穩(wěn)，飛濺較小。
當(dāng)干伸長及弧長變短時即燃弧電壓低于規(guī)范值時，此時生成的金屬熔滴的體積較小，如不調(diào)整短路波控參數(shù)及控制時間，繼續(xù)按固定的控制策略進(jìn)行抑制電流上升率(di/dt)的控制時，當(dāng)熔滴已過渡完成后，由于短路的控制過程尚未結(jié)束(在小電流情況下僅靠表面張力過渡)，此時脈寬調(diào)制波PWM波的脈寬仍處于較窄的狀態(tài)，焊接電源輸出的電壓很低，不能提供足夠的再燃弧能量使電弧及時重燃，從而使得固態(tài)的焊絲繼續(xù)送進(jìn)而發(fā)生焊絲插入熔池引起的頂絲現(xiàn)象，造成焊絲成段的爆斷，電弧熄滅；所以這一情況下的調(diào)節(jié)方式應(yīng)該是適當(dāng)調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制波PWM波形的脈沖寬度以提高短路電流的上升斜率di/dt，并相應(yīng)縮短控制時間使熔滴快速形成縮頸并在相對較高的峰值電流下破斷，迅速建立起電弧，及時的進(jìn)入燃弧狀態(tài)以利于焊接過程的連續(xù)穩(wěn)定的進(jìn)行。同時可省略第四個階段即(t3-t4)以小電流過渡到燃弧階段。
而當(dāng)干伸長及弧長變長時燃弧電壓將大于規(guī)范值，即Ul＞Uog，由于熔滴尺寸較大，在熔滴的過渡控制中如不調(diào)整短路波控參數(shù)及控制時間，繼續(xù)按固定的控制策略進(jìn)行抑制電流上升率的控制時，由于熔滴的尺寸較大積聚的能量較多，而電流上升的斜率(di/dt)一直維持一個相對較高的水平，短路電流會迅速達(dá)到一個很高的值(不是短路即將結(jié)束時真正的峰值電流)，當(dāng)系統(tǒng)檢測到該值后會認(rèn)為液體小橋即將發(fā)生破斷而隨之進(jìn)行低電流下破斷控制，即減小焊接電源的輸出電壓(靠表面張力的作用使熔滴過渡到熔池中去)。這樣一來實際控制時間就相對較短，而此時大量液態(tài)金屬還保持在焊絲端部未完成向熔池中的過渡，這樣使得熔滴在尚未過渡完全的時候液態(tài)金屬小橋因電源輸出電壓的降低而無法正常破斷(此時僅有表面張力的作用)，甚至產(chǎn)生粘絲現(xiàn)象而使焊接過程無法正常進(jìn)行，同樣影響焊接過程的穩(wěn)定性。所以此時的控制方式是應(yīng)適當(dāng)減小短路電流上升斜率di/dt并相應(yīng)延長控制時間t2-t3，使熔滴與熔池之間形成穩(wěn)定的液體小橋，保證熔滴柔順的過渡。并限制一定的控制時間(不能超過2ms，否則會形成粘絲)，在這段時間結(jié)束之后立即增大脈寬調(diào)制波PWM的脈寬，即提高控制電壓利用電磁力將未過渡完全的熔滴推入熔池中，強行完成過渡使焊接過程得以繼續(xù)順利的進(jìn)行。同時也可省略第四個階段即(t3-t4)以小電流過渡到燃弧階段。
以上這兩種方式的對焊接電源的動特性的調(diào)節(jié)就是本發(fā)明對熔池波動和弧長的變動(焊矩的抖動)等干擾因素的及時調(diào)節(jié)適應(yīng)微調(diào)作用，是保證焊接過程穩(wěn)定性的關(guān)鍵，也是本發(fā)明的主要內(nèi)容。
上述5個階段的電流，電壓控制是通過調(diào)節(jié)數(shù)字信息處理器DSP輸出的脈寬調(diào)制波PWM脈寬對焊接電源輸出電源電壓的控制實現(xiàn)的。
采用該控制方式的弧焊電源采用全數(shù)字式時序控制，就是集A/D反饋信號采集，濾波，程序運算及脈寬調(diào)制波PWM輸出為一體的一種對焊接電源動特性的調(diào)節(jié)方法。利用程序控制的方式調(diào)節(jié)焊接電源的動特性，無需改變系統(tǒng)的硬件設(shè)備，而且調(diào)試起來非常方便。能有效的解決以往的全部由硬件組成的電子電抗器調(diào)節(jié)系統(tǒng)適用性不強，及單片機(jī)控制模式不夠精確的問題，而且可控性好。主電路以絕緣柵雙極性晶體管IGBT單端逆變器為系統(tǒng)核心，其工作頻率為15kHZ，額定輸出350A。控制電路以數(shù)字信息處理器DSP芯片為核心。具體控制方式完全以時序控制的方式實現(xiàn)。
本發(fā)明中將短路狀態(tài)檢出電路的輸出信號連至數(shù)字信息處理器DSP控制系統(tǒng)的XINT1引腳(最高級外部中斷)上，因此一旦焊接過程中出現(xiàn)短路DSP控制系統(tǒng)即可及時的進(jìn)入中斷執(zhí)行短路控制程序；弧焊逆變電源的電壓及電流反饋的信號分別由電壓及電流傳感器經(jīng)濾波后送至數(shù)字信息處理器DSP系統(tǒng)的ADCIN0、ADCIN1引腳(模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換引腳)作為控制過程中的參考信號；數(shù)字信息處理器DSP系統(tǒng)的控制信號即脈寬調(diào)制波PWM脈寬調(diào)制波由數(shù)字信息處理器DSP內(nèi)部經(jīng)運算或給定預(yù)置值按確定的控制時序，并根據(jù)實際情況經(jīng)調(diào)節(jié)由片上的脈寬調(diào)制波PWM輸出引腳給出。
波形控制需要的參數(shù)很多，為實現(xiàn)良好的控制效果，焊接過程中各階段的控制參數(shù)必須要很好的配合。這種配合可以通過查表法實現(xiàn)參數(shù)預(yù)置及適當(dāng)?shù)姆答伩刂疲绞綐O為靈活。當(dāng)數(shù)字信息處理器DSP通過內(nèi)置的A/D采樣器采集到給定值和反饋值后，即可以通過查表或計算等得出控制量脈寬調(diào)制波PWM脈寬，輸出后通過改變絕緣柵雙極性晶體管IGBT的占空比來調(diào)節(jié)電源的輸出電壓，完成一個控制過程。
本發(fā)明能夠獲得有益的效果，該波形控制法的飛濺很小，小于3％，焊縫成形美觀，而且對焊絲干伸長的變化及弧長的擾動有很強的適應(yīng)性。且調(diào)節(jié)方便，可適用的焊接電流范圍較寬，可在60A-280A范圍都得到良好的效果。
具體實施例方式
(1)短路初期小電流階段(t0-t1)當(dāng)數(shù)字信息處理器DSP控制系統(tǒng)的XINT1引腳信號為低即檢測到焊接過程發(fā)生短路后，系統(tǒng)的短路中斷子程序立即響應(yīng)，此時由數(shù)字信息處理器DSP系統(tǒng)按控制時序要求輸出窄脈寬并延時一段時間(0.8ms)，限制短路初期電流的增長，防止瞬時短路飛濺。
(2)短路中期大電流階段(t1-t2)在瞬時短路控制階段結(jié)束以后(即0.8ms以后)，立即由數(shù)字信息處理器DSP系統(tǒng)按控制時序要求增加脈寬調(diào)制波PWM的輸出脈寬使電流以一個較大的速度上升至(150A-200A為止該段時間經(jīng)電流反饋值確定)，加速縮頸的形成。
(3)熔滴金屬過渡階段(t2-t3)此刻由DSP控制系統(tǒng)按控制時序要求輸出一較窄的脈寬調(diào)制波PWM脈寬，該脈寬可以由程序直接給定，或由電流反饋方式對輸出脈寬進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，控制電流的上升斜率di/dt，使熔滴通過液態(tài)金屬小橋柔順的過渡到熔池中。并進(jìn)入第四階段的控制。
但其最大的優(yōu)點是這段時間可以根據(jù)弧長的波動情況自動調(diào)節(jié)，以保持焊接過程的穩(wěn)定性。
當(dāng)焊接電流Io即送絲速度給定時，焊接電壓值Uo也相應(yīng)的具有一個合適的值。所以當(dāng)焊接規(guī)范選擇合適時，過渡頻率恒定，焊接過程平穩(wěn)，飛濺較小。
當(dāng)干伸長及弧長變短時即燃弧電壓低于規(guī)范值時，此時生成的金屬熔滴的體積較小，為保證焊接過程的穩(wěn)定性這時的調(diào)節(jié)方式為由數(shù)字信息處理器DSP系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器檢測到短路的前一時刻的燃弧電壓低于Uo時在隨后發(fā)生的短路階段適當(dāng)增加脈寬調(diào)制波PWM波形的脈沖寬度以提高短路電流的上升斜率di/dt，并相應(yīng)縮短控制時間，使熔滴快速形成縮頸并在相對較高的峰值電流下破斷，迅速建立起電弧及時的進(jìn)入燃弧狀態(tài)，以利于焊接過程的連續(xù)進(jìn)行，同時省略第四階段直接進(jìn)入第五階段。
當(dāng)干伸長及弧長變短時即燃弧電壓高于規(guī)范值時，由數(shù)字信息處理器DSP系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器檢測到短路的前一時刻的燃弧電壓高于Uo時在隨后發(fā)生的短路階段，應(yīng)適當(dāng)減小短路電流上升斜率di/dt并相應(yīng)延長控制時間t2-t3(但是這段時間不能超過2ms，否則會發(fā)生粘絲現(xiàn)象，同樣破壞焊接過程的穩(wěn)定性)，使熔滴與熔池之間形成穩(wěn)定的液體小橋，保證熔滴柔順的完全的過渡；當(dāng)規(guī)定的時間(2ms)過后焊接過程仍處于短路狀態(tài)時(經(jīng)短路信號判斷)此時立即退出短路控制，并提供一較寬的脈寬調(diào)制波PWM脈寬，焊接電源輸出一較高的電壓使液態(tài)金屬小橋在大的電磁力作用下破斷，及時進(jìn)入燃弧狀態(tài)，保證焊接過程的穩(wěn)定進(jìn)行。同時也省略第四階段直接進(jìn)入第五階段。
(4)以小電流過渡到燃弧階段(t3-t4)由前一時刻的控制，使得縮頸在一個很小的峰值電流Im下破斷(正常狀態(tài)下即弧長不發(fā)生波動的情況下)，減少此時產(chǎn)生的飛濺。
(5)再燃弧電流脈沖階段(t4-t5)在短路結(jié)束后按控制時序要求立即加入一較寬的脈寬調(diào)制波PWM脈寬，使電弧快速的建立起來，這個過程不僅可以使焊接過程快速恢復(fù)正常，而且對改善焊縫成形也有很大的幫助。
為實現(xiàn)上述5個階段的控制特性，針對弧焊逆變電源的輸出電流，電壓的調(diào)節(jié)，本發(fā)明采用了焊接過程各階段的程序控制法，并根據(jù)弧長的波動情況進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)，可省去一個控制階段，對各階段進(jìn)行時序控制，采用由數(shù)字信息處理器DSP芯片直接發(fā)出脈寬的方式，根據(jù)控制策略即刻決定當(dāng)前的脈寬，即數(shù)字信息處理器DSP系統(tǒng)經(jīng)計算或查表預(yù)置參數(shù)的方式，避免了輸出延時，因而系統(tǒng)具有優(yōu)越的動特性。
本方法實施的焊接結(jié)果表明在燃弧初期增加再引弧電流有利于提高燃弧能量，改善了焊縫成形，在短路前期及后期減小電流有利于降低飛濺，減少瞬時短路次數(shù)。在短路中期彈性時間段(t2-t3)的設(shè)置有效的解決了熔池波動和弧長的變動，如焊矩的抖動等干擾因素對焊接過程的不利影響。
權(quán)利要求
1.一種CO2焊的全數(shù)字時序適應(yīng)性調(diào)節(jié)方法，其特征在于，執(zhí)行CO2焊接電源系統(tǒng)中的控制方法，實現(xiàn)完全的短路過渡過程的全數(shù)字式時序適應(yīng)性調(diào)節(jié)控制，數(shù)字信息處理器DSP數(shù)控CO2焊接電源的控制方法包括對CO2短路過渡焊的全過程數(shù)字化時序適應(yīng)性調(diào)節(jié)控制，針對手工半自動焊過程中焊絲干伸長的不斷變化進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)以保證焊接過程的穩(wěn)定性，當(dāng)進(jìn)入DSP的高級中斷程序中時執(zhí)行瞬時短路控制及對短路階段短路電流上升斜率di/dt的控制等對短路過渡過程的全數(shù)字式時序控制。
2.如權(quán)利要求1所述的CO2焊的全數(shù)字時序適應(yīng)性調(diào)節(jié)方法，其特征是，所述的短路過渡過程的全數(shù)字式時序適應(yīng)性調(diào)節(jié)控制，每個時序的控制時間和脈寬調(diào)制波PWM的控制脈寬隨焊接電弧及熔滴的狀態(tài)不同是可以調(diào)節(jié)的，并根據(jù)弧長的波動情況進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)，可省略某一階段，脈寬調(diào)制波PWM波的發(fā)生方式為直接由數(shù)字信息處理器DSP芯片經(jīng)計算或查表預(yù)置參數(shù)的方式按控制時序要求產(chǎn)生。
3.如權(quán)利要求1或者2所述的CO2焊的全數(shù)字時序適應(yīng)性調(diào)節(jié)方法，其特征是，所述的短路過渡過程的全數(shù)字式時序適應(yīng)性調(diào)節(jié)控制，為適合CO2焊的工藝要求而采用多種方法，包括開環(huán)控制，閉環(huán)控制，對焊絲干伸長變化及弧長變動的適應(yīng)調(diào)制。
4.如權(quán)利要求1所述的CO2焊的全數(shù)字時序適應(yīng)性調(diào)節(jié)方法，其特征是，為了針對所述的焊接電源的輸出電流，實現(xiàn)各個階段的控制特性調(diào)節(jié)電壓，采用了焊接過程各階段的程序控制法，具體如下(1)短路初期小電流階段(t0-t1)在短路狀態(tài)即將發(fā)生的時刻，基礎(chǔ)電流已經(jīng)降到50A-75A，這樣在短路階段可以有效的避免瞬時短路的發(fā)生；(2)短路中期大電流階段(t1-t2)在(t0-t1)時刻結(jié)束后，立即將電流以比較大的斜率上升到一個低于150A給定值以便于形成穩(wěn)定的縮頸；(3)熔滴金屬過渡階段(t2-t3)在縮頸形成的之后，立即降低電流的上升速度使電流以一個很低的斜率上升；(4)以小電流過渡到燃弧階段(t3-t4)在焊絲即將和熔池脫離接觸的時刻迅速降低電流值，減少對熔池的振蕩，通過對負(fù)載電壓的檢測，可以判斷短路熔滴過渡完成，進(jìn)入再燃弧階段；(5)再燃弧電流脈沖階段(t4-t5)在燃弧階段的開始時刻，焊絲將很快的回?zé)?，此時在加入一個較高的燃弧電流
5.如權(quán)利要求4所述的CO2焊的全數(shù)字時序適應(yīng)性調(diào)節(jié)方法，其特征是，所述的熔滴金屬過渡階段(t2-t3)時間段是可調(diào)節(jié)的，可適應(yīng)熔池波動和弧長的變動及焊絲干伸長變化因素的干擾，保證熔滴正常的過渡到熔池中去，維持焊接過程的穩(wěn)定性。
全文摘要
一種CO
文檔編號B23K9/173GK1603047SQ20041006758
公開日2005年4月6日 申請日期2004年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月28日
發(fā)明者孫廣, 何建萍, 張春波, 華學(xué)明, 吳毅雄 申請人:上海交通大學(xué)