複合型高頻脈衝焊接系統及工藝的製作方法
2023-09-15 11:15:05
專利名稱：複合型高頻脈衝焊接系統及工藝的製作方法
技術領域：
複合型高頻脈衝焊接系統及工藝，屬於焊接設備及電弧焊接工藝控制領域。
背景技術：
鎢極氬弧焊(TIG)因其適應性強、焊接質量好等優點被廣泛應用於航天、汽車、管道等多個領域。根據被焊材料的不同，TIG焊工藝分為直流TIG焊、交流TIG焊和變極性TIG 焊，其中直流TIG焊用於不鏽鋼、銅等金屬的焊接，而交流TIG焊和變極性TIG焊則用於鋁合金材料的焊接。由於TIG焊存在電弧效率較低、焊接速度慢以及小電流電弧不穩定等缺點，脈衝TIG焊應運而生。脈衝TIG焊使用的頻率範圍目前集中在兩個區域一是0. 5-lOHz 的低頻脈衝，用於形成規則的熔池；二是Ik-IOkHz的高頻脈衝，用於提高電弧穩定性和電弧能量。而由於10k-20kHz電弧產生的高頻噪聲，目前工程中很少被使用。熔池凝固後， 最終的力學性能和物理性能與結晶過程中的晶粒大小和組織缺陷密切相關。均勻、細小的等軸晶組織可以提高焊縫的力學性能，而非細小的等軸晶組織及組織的不均勻性則會顯著降低焊縫性能。通過異質形核、物理場處理、溫度控制等手段可以有效細化晶粒，但由於焊接熔池具有的存留時間短、溫度梯度大、電弧溫度高等特點，使得多數方法難於應用。在金屬或合金凝固過程中輔以振動可以明顯改善其結晶組織，並有效提高機械性能。早在1869 年，德國Chernov就通過搖晃鑄模成功地細化了鋼錠的晶粒。但由於早起的振動方式受到設備的限制，頻率很低，因此其振動的能量和效果都受到了較大限制，且振動過程不易控制，逐漸被高頻的超聲振動方式所代替。近年來研究發現，在焊接過程中通過對焊接熔池施加超聲振動可以明顯改善焊縫成型和金屬結晶組織，目前對熔池施加超聲振動主要有兩種形式，一是將焊槍固定於機械超聲裝置上，由超聲換能器產生機械振動帶動焊槍振動，從而進一步帶動電弧振動，但由於超聲換能器可調性差，其頻率和振幅都已預置，很難配合焊接工藝的需求進一步調整，應用受到較大限制另一種方式是通過電源輸出將電能量施加與電弧中，由於電弧對熔池有力的作用，對電弧施加脈動的電流值同樣可以達到振動熔池的效果，這一方案對焊接電源的動特性提出了較高要求，但由於焊接電源作為一種負載狀態相當惡劣的電源，有其獨特的電路拓撲結構，近年來，隨著開關電源技術的迅猛發展，焊接電源的性能得到了迅速提升， 但是為了保證在惡劣工況下的穩定性，大多數情況下其逆變工作頻率只有幾十kHz，因此電源的動特性就受到了一定的限制。在這種情況下，要實現超出人類聽覺範圍的20kHz以上的高頻焊接就對焊接電源提出了更高的要求。此外，傳輸迴路中的電路寄生參數對大功率高頻信號的傳輸具有很大影響，這也成為高頻脈衝焊接工藝工業應用的瓶頸之一。
發明內容
本發明提出了一種複合型高頻脈衝焊接系統及工藝，採用多電源協同控制的方法實現高頻脈衝能量的發生與傳輸。本系統的工作流程為，焊接開始前，分別對焊接電源A和複合脈衝電源B進行參數設置，焊接開始後，焊接電源A按照設定參數輸出，複合脈衝電源控制系統B3在獲取焊接開始信號後，進行延時後啟動複合脈衝電源功率部分Bl開始工作，同時通過電流傳感器LEM3 獲取焊接電源A的實時電流輸出狀態，當焊接電源A的輸出電流進入複合脈衝電源B設定複合電流區間時，高頻脈衝發生裝置B2啟動，將複合脈衝電源功率部分Bl的輸出轉化為高頻脈衝電流並與焊接電源A進行並聯輸出。本發 明複合型高頻脈衝焊接系統如圖1，包括焊接電源A，複合脈衝電源B，複合焊槍三個部分C，其中焊接電源A選用各類鎢極氬弧焊(TIG)電源。複合脈衝電源B由複合脈衝電源功率部分Bi、高頻脈衝發生裝置B2和複合脈衝電源控制系統B3三部分構成。複合脈衝電源功率部分Bl採用開關電源實現，包括一次整流電路、濾波電路、逆變電路、逆變驅動電路、中頻變壓器、二次整流電路、濾波電感L、濾波電容Cl、電流傳感器LEMl和電壓傳感器LEM ；高頻脈衝發生裝置B2包括濾波電容C2、由Ql、Q2、Q3、Q4組成的全橋拓撲電路、全橋驅動電路、全橋整流電路和電流傳感器LEM2 ；複合脈衝電源控制系統B3包括數位訊號處理器、採樣處理電路、狀態判斷電路、保護信號電路和電流傳感器LEM3。電流傳感器LEM1、 電流傳感器LEM2、電流傳感器LEM3和電壓傳感器LEM均與採樣處理電路相連，電流傳感器 LEM1、電流傳感器LEM2還與保護信號電路相連，電流傳感器LEM3還與狀態判斷電路相連。複合脈衝電源功率部分Bl與高頻脈衝發生裝置B2相連，高頻脈衝發生裝置B2與焊接電源A並聯於複合焊槍C兩端，同時向複合焊槍C進行功率輸出。焊接電源A獨立進行功率輸出；複合脈衝電源功率部分Bl進行恆壓外特性輸出，高頻脈衝發生裝置B2中的全橋拓撲電路首先將複合脈衝電源功率部分Bl的恆定功率輸出轉換成佔空比為20% -80% 的交流脈衝高頻能量，再進行全橋整流得到高頻直流脈衝信號，直接與焊接電源A的輸出進行複合。複合型高頻脈衝焊接系統的控制方法的按以下步驟實現的複合型高頻脈衝焊接系統的起停採用焊接電源A的焊槍開關信號，焊接開始前，需對焊接電源A和複合脈衝電源 B進行分別設置。根據被焊材料的特徵，焊接電源A的工藝參數有焊接波形、焊接電流、起/ 收弧電流、起/收弧時間；複合脈衝電源B需設置的工藝參數有脈衝頻率、佔空比、脈衝電流幅值及複合脈衝能量的電流區間，其中複合脈衝能量的電流區間為焊接電源A所設定焊接電流值80%以上的電流。焊接開始後，焊接電源A按預先設定的焊接工藝參數輸出，複合脈衝電源控制系統B3採集到焊接開始信號後，數位訊號處理器進行延時後向逆變驅動電路輸出驅動信號，啟動高頻脈衝功率電源Bi，並將電壓傳感器LEM的反饋信號經採樣處理電路濾波放大後送入數位訊號處理器的模/數(A/D)轉換模塊進行採樣，然後將採樣結果進行比例積分(PI)運算，實現電壓閉環控制；同時，通過電流傳感器LEM3對焊接電源A的輸出電流進行實時檢測，狀態判斷電路會根據預設值判斷高頻脈衝能量的複合區間並通知數位訊號處理器，一旦進入複合區間，數位訊號處理器會立即向全橋驅動電路輸出驅動波形， 啟動高頻脈衝發生裝置B2向焊槍輸出高頻脈衝能量。保護信號電路分別針對高頻脈衝功率電源Bl和高頻脈衝發生裝置B2進行單獨保護。電流傳感器LEMl對高頻脈衝功率電源 Bl的輸出電流進行監測，對焊接過程中有可能產生的短路現象進行反饋保護；高頻脈衝發生裝置B2的保護電路採用硬體方式對電流脈衝的峰值進限定，電流傳感器LEM2實時監控功率開關管Q1-Q4的導通電流，一旦脈衝電流峰值超過設定脈衝電流幅值的120%，數位訊號處理器會接收到保護信號電路的通知，立刻關斷本周期的驅動信號保護功率管。
本發明提出的複合型高頻脈衝 焊接系統針對現有焊接電源動特性無法實現高頻脈衝電流輸出的限制，在不改變已有商品化電源輸出方式和控制模式的基礎上，設計了專門用於複合高頻脈衝能量的高頻脈衝複合電源，選用合適的外特性輸出模式，並配合新型拓撲電路設計，擺脫了逆變電源自身工作頻率對脈衝電流頻率的限制，實現了遠高於電源逆變頻率的高頻脈衝電流輸出。高頻脈衝複合電源可與任意已有商品化電源進行複合，實現新型高頻脈衝焊接工藝過程，整個系統工作穩定，可實現脈衝幅值在200A範圍內，脈衝頻率在20-100kHz範圍內、佔空比在20% -80%任意可調的複合型高頻脈衝焊接工藝。
圖1複合型高頻脈衝焊接系統總體框2 (a)直流高頻脈衝焊接電流波形2 (b)交流高頻脈衝焊接電流波形3複合型高頻脈衝焊接過程軟體執行流程4 (a)未複合高頻能量焊縫氣孔情況圖4 (b)複合高頻能量後焊縫氣孔情況圖5(a)未複合高頻能量晶粒5(b)複合高頻能量後晶粒圖
具體實施例方式本發明的具體實施方式
為焊接開始前，首先要對焊接電源A和複合脈衝電源B的參數進行分別設置。焊接電源A的參數根據焊接材料、材料厚度、焊縫道數和焊接速度設置，可按照焊接電源A單獨使用時的規則確定焊接波形、起/收弧電流和起/收弧時間，而焊接電流在選擇直流波形焊接時設置為焊接電源A單獨進行焊接時70%的電流值，選擇交流波形焊接時設置為焊接電源A單獨進行焊接時80%的電流值。在焊接碳鋼、不鏽鋼時， 為提高電弧效率並減小鎢極燒損，選用直流正極性波形焊接；焊接鋁合金時，為有效清除被焊材料的表面氧化膜，選用交流波形焊接，此外，在保證鋁合金材料表面氧化膜被有效清理的前提下，會採用交、直流混合波形進行焊接從而提高電弧效率。當材料厚度小於4mm時， 一般採用一道焊工藝；材料厚度大於4mm時，採用多道焊工藝。通常情況下，鎢極氬弧焊焊接速度為0. 1-0. 5米/分。複合脈衝電源B的參數包括脈衝電流的頻率及佔空比、脈衝電流幅值和複合脈衝能量的電流區間。焊接碳鋼和不鏽鋼時，複合脈衝電流的頻率範圍設置在25kHz至60kHz，佔空比為20% -80%，脈衝電流幅值設置為與焊接電源A輸出電流值相同；焊接鋁合金時，複合脈衝電流的頻率範圍設置在20kHz至50kHz，佔空比40% -60%，脈衝電流幅值為50A-100A。圖2(a)為焊接2mm不鏽鋼時的複合的焊接電流波形，焊接電源A 輸出50A的直流，設置在50A以上區間進行高頻脈衝電流複合，高頻脈衝電源B輸出的脈衝頻率為50kHz，佔空比50%，脈衝電流幅值50A。圖2 (b)為焊接3mm鋁合金時的焊接電流波形，焊接電源A設置輸出交、直流混合波形，直流期間電流值150A，交流期間正、負極性電流同為100A，複合脈衝電源B設置在正極性100A以上區間進行高頻脈衝電流複合，脈衝頻率 20kHz，佔空比50%，脈衝電流幅值100A。焊接開始後，焊接電源A按預先設定的焊接工藝參數輸出。複合脈衝電源控制系統B3中的數位訊號處理器採集到焊接開始信號後，進行0. 5-3S的延時，延時目的有兩個， 一是由於TIG焊工藝採用高頻高壓引弧，此時電壓脈衝峰值往往在1000V以上，易造成其他電子器件的損壞，因此要在引弧成功後進行脈衝能量複合；二是要等待焊接電源執行完引弧參數，進入正常焊接參數後再進行複合能量輸出。延時後數位訊號處理器向逆變驅動電路輸出一路PWM驅動信號啟動複合脈衝電源功率部分Bi，電壓傳感器LEM的反饋信號經採樣處理電路濾波放大後送入數位訊號處理器的模/數(A/D)轉換模塊進行採樣，然後將採樣結果進行比例積分(PI)運算，調整向複合脈衝電源功率部分Bl輸出的PWM佔空比，進行恆壓閉環控制，直到焊接停止信號到來時停止，軟體控制流程圖如圖3所示。複合脈衝電源功率部分Bl採用開關電源，逆變電路採用半橋拓撲結構，為保證複合脈衝電源功率部分Bl 進行恆壓外特性輸出的精度，本系統開關電源採用20kHz逆變頻率。主電路輸入電壓為三相380V，經一次整流電路及濾波電路後，變為540V直流。此後經逆變電路和中頻變壓器隔離降壓後變為20kHz交流電，後經過二次整流電路、濾波電感和濾波電容後變為低電壓大電流的焊接能量。複合脈衝電源功率部分Bl啟動後，複合脈衝電源控制系統B3通過電流傳感器LEM3對焊接電源A的輸出電流進行實時檢測，狀態判斷電路會根據預設值判斷高頻脈衝能量的複合區間並通知數位訊號處理器，一旦進入複合電流區間，數位訊號處理器會立即向全橋驅動電路輸出驅動波形，啟動高頻脈衝發生裝置B2向焊槍輸出高頻脈衝能量。高頻脈衝發生裝置輸入端之間並聯10000 μ F以上濾波電容C2，以保證高頻脈衝發生裝置Β2輸入端接近理想恆壓源。數位訊號處理器向全橋驅動電路輸出預設佔空比的 PWM信號，驅動開關管Q1-Q4工作，當一路橋臂Ql和Q4開通時，全橋拓撲電路輸出正向電壓；當另一路橋臂Q2和Q3開通時，全橋拓撲電路輸出反向電壓，經全橋整流電路整流後變為幅值為複合脈衝電源功率部分Bl輸出電壓的脈衝能量，直接作用於電弧，相當於在電弧兩端施加了複合脈衝電源功率部分Bl輸出電壓，對電弧進行短時間的恆壓放電，有效控制輸出給全橋驅動電路的PWM佔空比便可有效控制複合在電弧上的脈衝頻率，脈衝電流的幅值取決於加在電弧兩端的電壓高低，通過調整高頻脈衝功率電源Bl的輸出電壓便可有效調整脈衝電流的幅值。這一方案有效地消除了焊接電源逆變頻率對輸出電流脈衝頻率的限制，使得電源可以輸出遠高於自身逆變器工作頻率的高頻脈衝電流。本系統所採用的恆壓源控制脈衝電流的方式屬於一種半開環的控制模式，由於焊接過程中負載的變化及其劇烈，甚至會有短路情況發生，因此，本系統採用硬體方式限定了電流的脈衝峰值，電流傳感器LEMl對高頻脈衝功率電源Bl的輸出電流進行監測，對焊接過程中有可能產生的短路現象進行反饋保護；高頻脈衝發生裝置Β2的保護電路採用硬體方式對電流脈衝的峰值進限定，電流傳感器LEM2實時監控功率開關管Q1-Q4的導通電流，一旦脈衝電流峰值超過設定脈衝電流幅值的120 %，數位訊號處理器會接收到保護信號電路的通知，立刻關斷功率管， 保護信號會持續一個周期，直到下一周期的驅動信號到來時才消失。作為本發明核心的複合脈衝電源B是，可與本發明中所述焊接電源A配合工作，也可在不需要複合高頻能量時停止工作，並且不對焊接電源A的輸出特性和控制方式造成影響。採用圖2(b)所示焊接參數進行焊接後，利用金相顯微鏡對焊縫區金屬組織進行觀察發現，在電流有效值相同的前提下，未複合高頻脈衝電流時焊縫結晶組織(圖4(a)) 中氣孔的數量和尺寸明顯高於複合高頻脈衝電流後(圖4(b))的組織。同時，複合高頻脈衝電流後的焊縫金屬結晶的晶粒尺寸(圖5(b))明顯小於未複合高頻脈衝電流的情況 (圖5(a))，根據晶粒度軟體評測，未複合高頻脈衝電流時，焊縫結晶組織晶粒的平均尺寸為30um ；複合高頻脈衝電流後，晶粒尺寸下降為25um。與現有技術相比，本發明所採用的焊接系統和方法主要具備以下特點1、作為本發明核心的複合脈衝電源B可與各類焊接電源進行複合，通過採集由電流傳感器LEM3的反饋信號進行時序同步，可在指定時段進行高頻脈衝能量的複合。2、由於採用了多電源能量供給的輸出模式，有效解決了由於電源自身動特性限制而導致的無法輸出大功率高頻脈衝能量的問題。3、本發明採用恆壓外特性配合全橋拓撲結構實現了高頻脈衝能量的發生，同時降低了產生高頻能量過程中對電力器件的要求。採用全橋拓撲結構的優勢在於可以有效降低功率開關管的工作頻率和產熱，當設定IOOkHz的電流脈衝輸出頻率時，開關管的工作頻率僅為50kHz。4、對各模塊功能進行了優化組合，將涉及高頻能量產生和傳輸的部分進行有效集成及分割，整個系統只有在高頻脈衝發生裝置B2與複合焊槍C之間才有大功率高頻能量的傳輸，而且高頻脈衝發生裝置B2的結構簡單，體積較小，可以放置在複合焊槍C附近，進一步減少了大功率高頻能量的傳遞路程，上述設計方案有效解決了大功率高頻信號的傳輸中的導線阻抗問題。5、本發明採用恆壓外特性控制，配合全橋拓撲結構解決了「弧-源」系統能量傳輸與高精度控制問題，獲得了具有顯著「高頻效應」的焊接工藝效果。6、結合本發明的硬體系統設計了專用於鋁合金材料複合型高頻焊接工藝，可實現電流脈衝幅值在0-200A範圍內可調、脈衝頻率在20-100kHz範圍內可調、佔空比任意可調的複合型高頻脈衝焊接工藝。取得了良好的焊接工藝效果。上述工藝對鋁合金焊接接頭具有明顯的優化效果，主要表現在一方面複合高頻脈衝能量後，可有效提高焊接速度，從而提高生產效率；另一方面，高頻能量的加入有效改善了焊縫的微觀組織，焊縫及熔合線區域的氣孔數量及尺寸顯著下降，並且結晶組織明顯細化，機械性能測試表明，焊接接頭性能得到明顯提高。
權利要求
1.一種複合型高頻脈衝焊接系統，其特徵在於包括焊接電源A，複合脈衝電源B，複合焊槍三個部分C，其中焊接電源A選用各類鎢極氬弧焊電源；複合脈衝電源B由複合脈衝電源功率部分Bi、高頻脈衝發生裝置B2和複合脈衝電源控制系統B3三部分構成；複合脈衝電源功率部分Bl採用開關電源實現，包括一次整流電路、濾波電路、逆變電路、逆變驅動電路、中頻變壓器、二次整流電路、濾波電感L、濾波電容Cl、電流傳感器LEMl 和電壓傳感器LEM ；高頻脈衝發生裝置B2包括濾波電容C2、由Q1、Q2、Q3、Q4組成的全橋拓撲電路、全橋驅動電路、全橋整流電路和電流傳感器LEM2 ；複合脈衝電源控制系統B3包括數位訊號處理器、採樣處理電路、狀態判斷電路、保護信號電路和電流傳感器LEM3;電流傳感器LEM1、電流傳感器LEM2、電流傳感器LEM3和電壓傳感器LEM均與採樣處理電路相連， 電流傳感器LEMl、電流傳感器LEM2還與保護信號電路相連，電流傳感器LEM3還與狀態判斷電路相連；複合脈衝電源功率部分Bl與高頻脈衝發生裝置B2相連，高頻脈衝發生裝置B2 與焊接電源A並聯於複合焊槍C兩端，同時向複合焊槍C進行功率輸出。
2.應用權利要求1所述複合型高頻脈衝焊接系統的控制方法，其特徵在於，步驟如下 複合型高頻脈衝焊接系統的起停採用焊接電源A的焊槍開關信號，焊接開始前，需對焊接電源A和複合脈衝電源B進行分別設置；根據被焊材料的特徵，焊接電源A的工藝參數有焊接波形、焊接電流、起/收弧電流、起/收弧時間；複合脈衝電源B需設置的工藝參數有脈衝電流頻率、佔空比、脈衝電流幅值及複合脈衝能量的電流區間，所述的複合脈衝能量的電流區間為焊接電源A所設定焊接電流值80%以上的電流；焊接開始後，焊接電源A按預先設定的焊接工藝參數輸出，複合脈衝電源控制系統B3 採集到焊接開始信號後，數位訊號處理器進行延時後向逆變驅動電路輸出驅動信號，啟動高頻脈衝功率電源Bi，並將電壓傳感器LEM的反饋信號經採樣處理電路濾波放大後送入數位訊號處理器的模/數轉換模塊進行採樣，然後將採樣結果進行比例積分PI運算，實現電壓閉環控制；同時，通過電流傳感器LEM3對焊接電源A的輸出電流進行實時檢測，狀態判斷電路會根據預設值判斷高頻脈衝能量的複合區間並通知數位訊號處理器，一旦進入複合區間，數位訊號處理器會立即向全橋驅動電路輸出驅動波形，啟動高頻脈衝發生裝置B2向焊槍輸出高頻脈衝能量；保護信號電路分別針對高頻脈衝功率電源Bl和高頻脈衝發生裝置 B2進行單獨保護；電流傳感器LEMl對高頻脈衝功率電源Bl的輸出電流進行監測，對焊接過程中有可能產生的短路現象進行反饋保護；高頻脈衝發生裝置B2的保護電路採用硬體方式對電流脈衝的峰值進限定，電流傳感器LEM2監測功率開關管Q1-Q4的導通電流，當脈衝電流峰值超過設定脈衝電流幅值的120%，數位訊號處理器會接收到保護信號電路的通知，關斷本周期的驅動信號保護功率管。
全文摘要
複合型高頻脈衝焊接系統及工藝屬於電弧焊接領域。該系統包括焊接電源A，複合脈衝電源B，複合焊槍C，其中焊接電源A選用鎢極氬弧焊電源；複合脈衝電源B由複合脈衝電源功率部分B1、高頻脈衝發生裝置B2和複合脈衝電源控制系統B3三部分構成；B1採用開關電源實現；B2包括全橋拓撲電路、全橋驅動電路、全橋整流電路和電流傳感器LEM2；B3包括數位訊號處理器、採樣處理電路、狀態判斷電路、保護信號電路和電流傳感器LEM3；B1與B2相連，B2與A並聯於C兩端，同時向C進行功率輸出。本發明工作穩定，可實現脈衝幅值在200A範圍內，脈衝頻率在20-100kHz範圍內、佔空比在20％-80％任意可調的複合型高頻脈衝焊接工藝，有效細化焊縫組織、減少焊縫氣孔。
文檔編號B23K9/09GK102218581SQ20111011125
公開日2011年10月19日 申請日期2011年4月28日 優先權日2011年4月28日
發明者宋永倫, 白立來, 閆思博 申請人:北京工業大學