專利名稱：一種交流電弧焊接系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種交流輸入電弧焊接系統(tǒng)，屬于焊接設備及自動化領域。
背景技術：
低能量輸入電弧焊接是一種針對于薄板的焊接方法，尚處于起步階段。目前主要有兩種焊接方法， 一種叫做冷金屬過渡焊接(CMT)，另一種叫做冷電弧焊接，這兩種焊接方法都采用短路過渡的熔滴過渡方式，但是其工藝特點大不相同。對于第一種形式，采用推拉絲的送絲方式，使用專門設計的送絲系統(tǒng)，送絲機在很高的頻率下完成正反轉動作，在焊接過程中監(jiān)測到短路信號，反饋給送絲機，送絲機做出回應回抽焊絲，從而使焊絲和熔滴分離，降低了能量輸入。而第二種形式，采用連續(xù)向前的送絲方式，使用普通的送絲系統(tǒng)配合短路過渡的波形控制技術，使用含有特定成分的焊絲，達到降低焊接能量輸入的效果。然而不論哪種工藝形式，都有較大的不足CMT法仍然采用直流反接方式工作，雖然在短路階段降低了能量，但是由于短路能量本身很小，所以對母材熱輸入的降低有限，僅略低于傳統(tǒng)的表面張力過渡法(STT);冷電弧焊接法采用特制的焊絲不易于推廣，而且同樣采用直流反接的工作方式，無法有效的降低能量。北京工業(yè)大學前期采用過推拉絲方式實現(xiàn)低能量焊接，采用不同方式實現(xiàn)了和CMT類似的功能，但電源同樣采用直流反接的形式，在燃弧期很大一部分的熱量用于加熱母材，因此仍有很大的能量降低空間。

實用新型內(nèi)容基于現(xiàn)有低能量輸入電弧焊接方法的不足，本實用新型提出了一種新型交流輸入
電弧焊接系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用推拉絲的送絲方式，同時焊接電源在短路/燃弧的不同階段采
用不同的輸出極性。熔滴短路過渡在焊絲回抽拉力作用下完成，可采用較小的短路電流，另
外燃弧初期采用直流正接，使電弧的能量更多的分配給焊絲，對母材熱輸入量進一步降低。 本實用新型所提出的低能量電弧焊接系統(tǒng)由焊接電源系統(tǒng)和送絲系統(tǒng)兩部分構成。 焊接電源系統(tǒng)包括直接為焊接提供功率輸出的主電路部分1和用于調節(jié)主電路部分l輸出功率的控制電路部分2?？刂齐娐凡糠?包括DSP系統(tǒng)A、一次逆變驅動及保護電路B、外圍設備控制及執(zhí)行部分C、人機交互界面D、送絲系統(tǒng)控制接口電路E、二次逆變驅動及保護電路F。其中 DSP系統(tǒng)A與部分B 部分F相連，接收主電路部分的電流、電壓信號，輸出控制信號。 一次、二次逆變驅動及保護電路B和F，接收DSP控制器的信號，進行隔離放大后驅動一次及二次逆變部分IGBT的通斷。外圍設備控制及執(zhí)行部分C包括焊槍開關Cl、氣閥C2。Cl和C2均與DSP系統(tǒng)A相連，Cl給A提供焊接開關信號，C2接收A的指令給焊接過程提供保護氣。人機交互界面D實現(xiàn)焊接參數(shù)的顯示和焊接參數(shù)的預置。送絲系統(tǒng)控制接口電路E與送絲系統(tǒng)3相連。 送絲系統(tǒng)采用交流伺服電機做送絲機，通過控制電路部分2中的送絲系統(tǒng)控制接口電路E接受DSP系統(tǒng)A發(fā)出的信號。 本實用新型所提出的低能量電弧焊接系統(tǒng)的控制方法如下所述本方法中，送絲 系統(tǒng)做高頻往復送絲，熔滴過渡是在焊絲回抽拉力和電磁收縮力共同作用下完成的。焊接 電源控制器根據(jù)焊接電壓反饋信號判斷焊接過程處于短路還是燃弧階段，在不同階段采用 不同極性的電流值。具體步驟如下 1)根據(jù)實際要求，確定焊接參數(shù)包括送絲速度V、短路初期電流Idc、短路初期時
間Tdc，正極性電流Ien、正極性峰值時間T即、負極性峰值電流Ibp、負極性峰值時間Tbp、負
極性基值電流Ibb，通過人機交互界面D將以上焊接參數(shù)輸入DSP系統(tǒng)A。 2)DSP系統(tǒng)A檢測焊槍開關C2是否打開，是則通過送絲系統(tǒng)控制接口電路E啟動
送絲系統(tǒng)3， DSP系統(tǒng)A通過接收到的焊接電壓反饋信號判斷焊接過程處于短路還是燃弧階段。 短路階段，首先送絲系統(tǒng)3控制電機使焊絲前進，DSP系統(tǒng)A發(fā)出控制信號經(jīng)二次 逆變驅動及保護電路F后，驅動二次逆變部分1.7使電源輸出反極性，即工件為陰極焊絲為 陽極，同時DSP系統(tǒng)A經(jīng)一次逆變驅動及保護電路B控制一次逆變部分1. 3，使電源輸出短 路初期電流Idc，并保持作用時間Tdc ;然后，DSP系統(tǒng)A發(fā)出控制信號，經(jīng)部分F驅動二次 逆變部分1. 7使電源輸出正極性，即工件為陽極焊絲為陰極，并通過一次逆變部分1. 3給出 正極性電流Ien，送絲系統(tǒng)3控制電機使焊絲回抽，在焊絲回抽拉力作用下，完成熔滴短路 過渡，并保證電弧順利再引燃。 燃弧階段，當DSP系統(tǒng)A通過功率輸出部分1. 8的反饋電壓檢測到燃弧信號后，即 進入燃弧階段，此時焊絲繼續(xù)保持回抽，電源輸出正極性保持不變，工件仍為陽極焊絲仍為 陰極。當正極性峰值時間T即到以后，DSP系統(tǒng)A輸出控制信號，經(jīng)部分F驅動二次逆變部 分1.7，使電源輸出反極性，即工件為陰極焊絲為陽極，同時DSP系統(tǒng)A經(jīng)部分B控制一次 逆變部分1. 3，使電源輸出負極性峰值電流Ibp。負極性峰值電流Ibp作用時間Tbp后，DSP 系統(tǒng)A經(jīng)部分B控制一次逆變部分1. 3，使電源輸出負極性基值電流Ibb，送絲系統(tǒng)3控制 電機使焊絲前進。所述的送絲速度V的取值范圍為3 7m/min，短路初期電流Idc —般取值為3
100A，短路初期電流作用時間Tdc為0. 5 5ms，正極性電流Ien取值為20 150A，正極性
峰值時間T即取值為0 5ms，負極性峰值電流Ibp取值范圍為120 300A、負極性峰值時
間Tbp的取值范圍0. 1 3ms，負極性基值電流Ibb的取值范圍為10 50A。 整個焊接過程由焊絲的前進回抽配合不同的多段電流組成，通過合理的參數(shù)配
合，可實現(xiàn)穩(wěn)定的焊接過程。 與現(xiàn)有技術相比，本實用新型采用的控制方法及電弧焊接系統(tǒng)具有以下優(yōu)點 1)焊接過程能量輸入低、過程穩(wěn)定可靠。本實用新型方法將交流焊接電源與推拉 送絲系統(tǒng)配合起來；短路階段變換電源輸出極性，易于實現(xiàn)交流換向，同時利用焊絲回抽拉 力的作用保證在小電流狀態(tài)下完成短路過渡；燃弧前期采用直流正接，后期采用反接，即可 以合理分配電弧能量在焊絲與工件間的分配比例，進一步降低對工件的熱輸入，又容易實 現(xiàn)弧長調節(jié)，保證電弧的穩(wěn)定性； 2)送絲系統(tǒng)采用交流伺服電機做送絲機，具有極高的動態(tài)響應性能，送絲過程精 確可控；
4[0018] 3)應用范圍廣可以應用于表面堆焊、超薄板及鍍鋅鋼板焊接，有效防止焊件燒 穿及鍍鋅保護層的揮發(fā)，具有廣泛的應用前景。

圖1焊接系統(tǒng)結構組成圖 圖2主程序軟件方案圖 圖3焊接程序框圖 圖4電流波形圖
具體實施方式現(xiàn)在將結合附圖對本實施例進行說明。(實施例針對lmm厚的3A21鋁合金板進行 對接焊縫的焊接) 本實用新型的一個具體實例低能量輸入電弧焊接系統(tǒng)結構組成如圖1所示，總體 上包括兩部分焊接系統(tǒng)和送絲系統(tǒng)。 焊接系統(tǒng)包括主電路部分1和以TMS320F2812DSP為核心的控制電路部分2。主 電路輸入電壓為三相380V ;輸入整流1. 1采用富士整流橋整流，型號為FUJ 6RI100G-160 ; 一次逆變電路1. 3采用半橋逆變結構，由兩只型號為BSM150GB120DN2的IGBT組成；中頻 變壓器1. 4采用超微晶磁芯，變壓比為15 : 2 ;二次濾波1. 6采用磁芯飽和電感，電感量約 30 ii H ;二次逆變電路1. 7采用半橋逆變結構，由兩只型號為BSM150GB120DN2的IGBT組成。 控制電路部分2采用基于TMS320F2812DSP的控制系統(tǒng)，主要完成參數(shù)計算、比例積分調節(jié)、 時序控制，并能夠與送絲系統(tǒng)3實現(xiàn)通信。下面將結合附圖對其進行詳細說明。 其工作順序為輸入三相380V交流電經(jīng)過整流部分1. 1整流和一次濾波1. 2濾波 后，變?yōu)?40V的直流電，然后經(jīng)過一次逆變電路1. 3(此由控制電路部分2控制)逆變和中 頻變壓器1. 4降壓隔離后變?yōu)?0KHz的交流電，再經(jīng)過輸出整流器1. 5和二次濾波1. 6濾 波后變?yōu)楹附铀玫拇箅娏鞯碗妷褐绷麟?。然后根?jù)控制需要，二次逆變部分1. 7切換該 直流電輸出的極性，最終由焊接功率輸出1.8輸出。由于以上電路的工作頻率為20KHz，同 時輸出電感也很小(30 ii H左右)，調整逆變開關頻率或脈寬可以達到微秒級的控制，所以 該類型電源反應速度快，動態(tài)性能好。 焊接系統(tǒng)控制電路部分2的組成及功能分別為 DSP系統(tǒng)A主要由TMS320F2812DSP組成，包括三個輸入部分。第一個輸入部分是 從焊接功率輸出1.8輸出的電流、電壓值，其中電流經(jīng)由PI控制(比例積分控制)，實時調 整電流偏差，實現(xiàn)閉環(huán)控制；電壓值用于監(jiān)控焊接狀態(tài)。第二個輸入部分是從部分C獲得的 焊槍開關信號Cl。第三個輸入部分來源于人機交互界面D的焊接參數(shù)預置，獲得焊接初始 參數(shù)。部分A作為核心控制部分，主要完成對焊接參數(shù)輸入和外部信號的響應，并經(jīng)過軟件 處理、計算和轉換后對B、 C、 D、 E四部分進行控制，使整個焊接系統(tǒng)協(xié)調工作，完成預定的焊 接目的。 送絲系統(tǒng)3采用交流伺服電機做送絲機，通過控制電路部分2中的送絲系統(tǒng)控制 接口電路接受DSP系統(tǒng)A發(fā)出的信號。 本實用新型的程序控制分兩部分焊絲運動(即送絲電機轉動軌跡)程序控制和焊接過程DSP系統(tǒng)程序控制，下面分別進行詳細說明。
焊絲運動(即送絲電機轉動軌跡)程序控制 根據(jù)焊接實際要求確定焊接參數(shù)，根據(jù)焊接參數(shù)中的送絲速度V確定送絲頻率 F (焊絲每秒的前進與回抽次數(shù)， 一前一回算作一次)和送絲步長d (每次焊絲前進與回抽距 離之差)。送絲系統(tǒng)控制接口電路E接收DSP系統(tǒng)A的信號，控制送絲電機按預定步長做前 進回抽運動。 焊接過程DSP系統(tǒng)程序控制，參照程序流程圖對本實例進行詳細說明 圖2是DSP控制低能量逆變電弧焊接電源主程序軟件方案圖。軟件主程序包括初 始化子程序、參數(shù)預置及顯示子程序、延時子程序、計算子程序和焊接子程序。其主程序具 體執(zhí)行順序為上電復位后，程序從初始地址開始運行，系統(tǒng)先執(zhí)行初始化子程序，完成各 焊接參數(shù)的初始值設定。然后執(zhí)行參數(shù)預置子程序，預置送絲速度V為3. 5m/min、短路初期 電流Idc為20A、短路初期時間Tdc為2ms、正極性電流Ien為70A、正極性峰值時間T即為 lms、負極性峰值電流Ibp為80A、負極性峰值時間Tbp為0. 5ms、負極性基值電流Ibb為20A 等焊接參數(shù)用于焊接過程控制，預置焊接參數(shù)用于焊接過程控制，然后經(jīng)顯示子程序把相 關的參數(shù)設定顯示。然后判斷焊接開關是否打開，是則打開脈寬調制(即可以輸出能量)、 啟動電機，判斷引弧是否成功，如果引弧成功則進入焊接程序，直到檢測到焊接結束信號， 關閉脈寬調制、關閉電機，退出焊接狀態(tài)。如沒有焊接開始信號則延時一定時間(如20ms) 后再次循環(huán)執(zhí)行前面程序。本實用新型的控制方法主要體現(xiàn)在送絲過程與焊機電流波形的 控制過程中。 圖3、圖4所示為焊接程序框圖與電流波形示意圖，主要進行狀態(tài)判斷、時序控制 以及根據(jù)不同時序輸出不同的電流參數(shù)。其過程為 首先焊絲前進根據(jù)反饋電壓判斷是否發(fā)生短路。如果發(fā)生短路，DSP系統(tǒng)A發(fā)出控 制信號經(jīng)二次逆變驅動及保護電路F后，驅動二次逆變部分1.7使電源輸出反極性，即工件 為陰極焊絲為陽極，同時DSP系統(tǒng)A經(jīng)一次逆變驅動及保護電路B控制一次逆變部分1. 3， 使電源輸出短路初期電流Idc，并持續(xù)作用時間Tdc ;然后，DSP系統(tǒng)A發(fā)出控制信號，經(jīng)部 分F驅動二次逆變部分1.7使電源輸出正極性，即工件為陽極焊絲為陰極，并通過一次逆變 部分1. 3給出正極性電流Ien，送絲系統(tǒng)3控制電機使焊絲回抽，在焊絲回抽拉力作用下，完 成熔滴短路過渡。 然后根據(jù)反饋電壓判斷是否發(fā)生燃弧，是則進入燃弧階段，此時焊絲繼續(xù)保持回
抽，電源輸出正極性保持不變，工件仍為陽極焊絲仍為陰極。當正極性峰值時間Tap到以
后，DSP系統(tǒng)A輸出控制信號，經(jīng)部分F驅動二次逆變部分1. 7，使電源輸出反極性，即工件
為陰極焊絲為陽極，同時DSP系統(tǒng)A經(jīng)部分B控制一次逆變部分1. 3，使電源輸出負極性峰
值電流Ibp。負極性峰值電流Ibp作用時間Tbp后，DSP系統(tǒng)A經(jīng)部分B控制一次逆變部分
1. 3，使電源輸出負極性基值電流Ibb，送絲系統(tǒng)3控制電機使焊絲前進。 整個過程是根據(jù)反饋電壓判斷焊接狀態(tài)，并結合焊絲的運動情況，給出相應的電
源極性及電流值，將焊接參數(shù)和焊絲運動情況很好的結合了起來，實現(xiàn)了低能量焊接。 以上所述為本系統(tǒng)及其控制方法的一個實例，我們還可對其進行一些變換。比
如主電路部分可以采用全橋逆變電路代替半橋形式，控制部分用其他DSP或單片機代替
TMS320F2812實現(xiàn)其功能，送絲電機及送絲曲線略做調整等。只要其系統(tǒng)及控制思想與本實用新型所敘述的一致，均應視為本實用新型的范圍。
權利要求一種交流電弧焊接系統(tǒng)，包括焊接電源系統(tǒng)和送絲系統(tǒng)，所述的焊接電源系統(tǒng)包括直接為焊接提供功率輸出的主電路部分(1)和用于調節(jié)主電路部分(1)輸出功率的控制電路部分(2)；所述的主電路部分(1)包括依次連接的輸入整流(1.1)、一次濾波(1.2)、一次逆變(1.3)、中頻變壓器(1.4)、輸出整流器(1.5)、二次濾波(1.6)、二次逆變(1.7)和焊接功率輸出(1.8)；所述的控制電路部分(2)包括DSP系統(tǒng)(A)、與主電路部分的一次逆變(1.3)相連的一次逆變驅動及保護電路(B)、外圍設備控制及執(zhí)行部分(C)、人機交互界面(D)和送絲系統(tǒng)控制接口電路(E)；其特征在于所述的控制電路部分還包括與主電路部分中的二次逆變相連接的二次逆變驅動及保護電路(F)；DSP系統(tǒng)(A)與主電路部分的焊接功率輸出(1.8)相連，接收焊接功率輸出(1.8)的電壓信號；DSP系統(tǒng)(A)分別與一次逆變驅動及保護電路(B)和二次逆變驅動及保護電路(F)相連，一次逆變驅動及保護電路(B)和二次逆變驅動及保護電路(F)接收DSP系統(tǒng)的信號，進行隔離放大后分別驅動一次逆變(1.3)和二次逆變(1.7)中的IGBT的通斷；DSP系統(tǒng)(A)與人機交互界面(D)相連，人機交互界面(D)實現(xiàn)焊接參數(shù)的顯示和焊接參數(shù)的預置；所述的外圍設備控制及執(zhí)行部分(C)包括焊槍開關(C1)和氣閥(C2)，焊槍開關(C1)和氣閥(C2)均與DSP系統(tǒng)相連，焊槍開關(C1)給DSP系統(tǒng)(A)提供焊接開關信號，氣閥(C2)接收DSP系統(tǒng)(A)的指令給焊接過程提供保護氣；所述的送絲系統(tǒng)采用交流伺服電機做送絲機；DSP系統(tǒng)通過送絲系統(tǒng)控制接口電路(E)與送絲系統(tǒng)(3)相連；通過送絲系統(tǒng)控制接口電路接受DSP系統(tǒng)(A)發(fā)出的信號。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種交流電弧焊接系統(tǒng)，其特征在于所述的送絲系統(tǒng)采用 推拉送絲方式，所述的焊接電源采用交流電源。
專利摘要本實用新型涉及一種交流輸入電弧焊接系統(tǒng)，屬于焊接設備及自動化領域。本系統(tǒng)采用推拉絲的送絲方式，電源采用交流輸出的方式，具體包括焊接電源系統(tǒng)和送絲系統(tǒng)。焊接電源系統(tǒng)主要包括直接為焊接提供功率輸出的主電路部分(1)和控制主電路輸出功率的控制電路部分(2)。送絲系統(tǒng)采用交流伺服電機做送絲機，通過送絲系統(tǒng)控制接口電路(E)接收DSP系統(tǒng)(A)發(fā)出的信號。送絲電機做往復運動實現(xiàn)推拉送絲，同時焊接電源根據(jù)反饋電壓判斷焊接處于短路/燃弧狀態(tài)，改變電源的輸出極性。熔滴短路過渡在焊絲回抽拉力作用下完成，采用較小的短路電流，另外燃弧初期采用直流正接，電弧的能量更多地分配給焊絲，對母材熱輸入量大大降低。
文檔編號B23K9/00GK201493592SQ200920106649
公開日2010年6月2日 申請日期2009年4月1日 優(yōu)先權日2009年4月1日
發(fā)明者盧振洋, 高文寧, 黃鵬飛 申請人:北京工業(yè)大學