一種耦合電弧的弧長調節系統及其控制方法

2023-05-08 12:32:16

專利名稱：一種耦合電弧的弧長調節系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種耦合電弧的弧長調節系統及其控制方法，屬於焊接方法設備及自動化領域。
背景技術：
隨著國家工業化的大幅度發展，焊接技術在國家建設過程中發揮了不可忽視的作用。在航空航天、機械工程、交通運輸、海洋工程等方面，焊接已經佔據了舉足輕重的地位。所以現代化製造業對焊接技術的各個方面均進行了廣泛的、高效的研究，力求在技術的改進和提高方面做出更有意義的貢獻。熔化極氣體保護焊中對弧長的調節是焊接方面一個長期研究的方向，已有研究結果證明，MAG焊接系統中電源具有弧長自我調節功能，當弧長變短時，電源會自動增加電流，來增加熔化的焊絲，以恢復原來弧長；當弧長變長時，電源會自動減小電流，減小熔化的焊絲，以恢復原來弧長。但是，這種調節方式比較單一，而且母材的熱輸入會隨著弧長的自我調節有所波動，影響焊接的穩定性。為了解決該問題，我們參考了國內外很多焊接工作者提出的耦合電弧的焊接法，對輔助電弧的作用做了詳細的分析。例如，美國肯塔基大學的張裕明老師為了對常規的熔化極氣體保護電弧焊進行高效化改進，提出一種新型的電弧焊工藝DE-GMAW,該焊接工藝方法將一個GTAW焊槍與一個GMAW焊槍相組合，GMAW焊槍與工件構成主路，GTAW焊槍構成旁路，使用一個電源進行控制輸出。流經焊絲的焊接電流在電弧弧柱區分為兩部分，一是旁路電流，二是施加到母材的電流。增大焊接電流時，作用於焊絲上的電流數值較高有利於提高焊絲的熔化速度，從而提高熔敷率來提高焊接速度，而旁路分流的作用又能保證母材的熱輸入不至於過高，維持在一個比較理想的水平。但該方法的MAG焊部分使用的弧長調節系統是由MAG電源實現的，控制方法比較單一，母材熱輸入也會因弧長的自我調節過程有所波動的，所以尋求一種新型的弧長控制方法，並保證母材更穩定的熱輸入成為了 一個新的研究方向。

發明內容
針對高效化焊接的發展趨勢和需要解決的問題，本發明的目的在於改變了 MAG和TIG耦合電弧焊接時採用MAG焊的自身弧長調節系統的傳統方法，通過調節TIG電源的能量輸出來調節熔敷金屬量的大小，來調節弧長的波動。同時MAG電源採用恆流源代替了原始的恆壓源，該恆流源可實現母材熱輸入的恆定，提高了焊接穩定性和焊接質量。兩種焊接方法使用兩個獨立電源，對電流、電壓採樣信息進行反饋控制，通過測量焊絲和母材之間的弧壓來判斷弧長的變化，將弧壓的變化值反饋到TIG電源，TIG電源再對弧長變化做出調整和控制。本發明的設計思想為MAG焊接採用恆流源，主要實現對焊絲和母材的加熱，並採用直流反接的接線方式來實現自由過渡，保證母材熱輸入的穩定性；本發明採用如下技術方案
—種稱合電弧的弧長調節系統，包括TIG焊接系統1、MAG焊接系統2、如面板輸入及顯示3、送絲系統4和電弧能量輸出5。TIG焊接系統I主電路包括整流濾波電路1.1、逆變電路1. 2、中頻變壓器1. 3、二次整流電路1. 4、電流萊姆1. 5、電壓萊姆1. 6、高頻引弧1. 7和高壓穩弧1. 8。三相輸入380V交流電接整流濾波電路1. 1，然後按順序串聯逆變電路1. 2、中頻變壓器1. 3、二次整流電路1. 4三個部分，二次整流電路1. 4兩端分別接MAG焊槍5.1和TIG焊槍5. 2，電流萊姆1. 5和高頻引弧1. 7串聯在二次整流電路1. 4和TIG焊槍5. 2之間，電壓萊姆1. 6和高壓穩弧
1.8並聯在MAG焊槍5.1和TIG焊槍5. 2之間。其中的控制電路包括核心部分和驅動執行部分。核心控制部分包括DSP系統1. 9、電流採樣及濾波1. 10、電壓採樣及濾波1. 11以及保護電路1. 12。DSP系統1. 9與MAG焊接部分的DSP系統2. 7相連，形成通信，並連接電流採樣及濾波1. 10、電壓採樣及濾波1. 11和保護電路1. 12，接受他們傳遞的信號，與逆變驅動電路1. 13、高頻引弧驅動電路1. 14和高壓穩弧驅動電路1. 15相連，給予它們驅動信號。電流採樣及濾波1. 10和電壓採樣及濾波1. 11的一端與DSP系統1. 9相連，另一端分別與主電路中的電流萊姆1. 5和電壓萊姆1. 6相連。驅動部分包括逆變驅動電路1. 13、高頻引弧驅動電路1. 14、高壓穩弧驅動電路1. 15。逆變驅動電路1. 13與逆變電路1. 2相連，傳遞信號給保護電路1. 12，並接收來自DSP系統1. 9的驅動信號，高頻引弧驅動電路1. 14和高壓穩弧驅動電路1. 15分別於DSP系統1. 9相連，並分別驅動高頻引弧1. 7和高壓穩弧1. 8。MAG焊接系統2主電路包括整流濾波電路2.1、逆變電路2. 2、中頻變壓器2. 3、二次整流電路2. 4、電流萊姆2. 5、電壓萊姆2. 6。三相輸入380V交流電接整流濾波電路2. 1，然後按順序串聯逆變電路2. 2、中頻變壓器2. 3、二次整流電路2. 4三個部分，二次整流電路
2.4兩端分別接MAG焊槍5.1和工件5. 3，電流萊姆2. 5串聯在二次整流電路2. 4和MAG焊槍5.1之間，電壓萊姆2. 6並聯在MAG焊槍5.1和工件5. 3之間。其中的控制電路包括核心部分和驅動執行部分。核心控制部分包括DSP系統2. 7、電流採樣及濾波2. 8、電壓採樣及濾波2. 9以及保護電路2. 10。DSP系統2. 7與TIG焊接部分的DSP系統1. 9相連，形成通信，並連接電流採樣及濾波2. 8、電壓採樣及濾波2. 9和保護電路2. 10，接受他們傳遞的信號，與逆變驅動電路2. 10相連，給予驅動信號。電流採樣及濾波2. 8和電壓採樣及濾波
2.9的一端與DSP系統2. 7相連，另一端分別與主電路中的電流萊姆2. 5和電壓萊姆2. 6相連。驅動部分包括逆變驅動電路2. 11。逆變驅動電路2. 11與逆變電路2. 2相連，傳遞信號給保護電路2. 10，並接收來自DSP系統2. 7的驅動信號。前面板輸入及顯示3包括焊接參數給定3.1和焊接參數顯示3. 2。焊接參數給定
3.1和焊接參數顯示3. 2均與MAG焊中的DSP系統2. 7相連，進行顯示和送絲信號與DSP系統2. 7的信號傳遞。送絲系統4包括焊槍開關4.1、送絲給定4. 2、氣閥4. 3和送絲機調速電路4. 4。MAG焊系統中DSP通過光電隔離4. 5與焊槍開關4.1、送絲給定4. 2和氣閥4. 3相連，焊槍開關
4.1、送絲給定4. 2和氣閥4. 3通過送絲機調速電路.4與MAG焊中送絲輪相連。電弧能量輸出5包括MAG焊槍5. 1、TIG焊槍5. 2和母材5. 3。其中TIG電極與MAG焊絲之間的距離為2-6mm，TIG電極與母材之間的距離為3_7mm，MAG焊絲與母材之間的距離為 18_25mm。所述弧長調節系統的控制方法如下MAG和TIG焊分別採用獨立電源，兩個電源之間形成通信，MAG焊使用恆流源，焊絲和母材之間形成電弧，採用自由過渡的熔滴過渡形式，可保證母材熱輸入的恆定；TIG焊中，電極和焊絲形成電弧，兩個電弧組成耦合電弧。在焊接過程中，我們對焊絲和母材之間的電弧進行實時檢測和反饋，當MAG焊弧長減小，弧壓減小A U1，焊絲長度增加時，提高TIG電源焊接電流A I1，增加熔敷金屬量，實現減小焊絲長度，增大弧長的目的，其中A I1=Icp AUJka EAUi, kp，匕為常數，20≤kp< 100，
0.05≤ka≤0. 5，A I1為TIG焊電流增大量，A U1為MAG焊弧壓減小量，-2V≤A U1
2V,A Ui為第i次MAG焊弧壓減小量，i取正整數；當MAG焊弧長增大，弧壓增大A U2,焊絲長度減小時，降低TIG電源焊接電流A I2，減小熔敷金屬量，實現增大焊絲長度，減小弧長的目的，其中 A I2=kp AU2+ka E AU」，kp，匕為常數，20
kp< 100,0. 05
ka ≤0. 5，A I2 為TIG焊電流減小量，A U2為MAG焊弧壓增大量，-2V ^AU2 ^ 2V, A Uj為第j次MAG焊弧壓增大量，j取正整數。

本發明對比已有技術具有以下創新點1、MAG焊和TIG焊組成的耦合電弧焊接過程中，MAG焊的自身弧長調節功能由TIG電源控制能量輸出來代替，開拓了弧長調節系統控制方法的新領域。2、該方法中MAG電源由恆壓源變成恆流源，保證了母材熱輸入具有更高的穩定性。


圖1焊接系統結構組成圖；圖2能量輸出部分的示意圖；圖1中1、TIG焊接系統，2、MAG焊接系統，3、如面板輸入及顯不，4、送絲系統，5、電弧能量輸出。TIG焊接系統I中1.1、整流濾波電路，1. 2、逆變電路，1. 3、中頻變壓器，1. 4、二次整流電路，1. 5、電流萊姆，1. 6、電壓萊姆，1. 7、高頻引弧，1. 8、高壓穩弧，1. 9,TIG單片機，1. 10、電流採樣及濾波，1. 11、電壓採樣及濾波，1. 12、保護電路，1. 13、逆變驅動電路，1. 14、高頻引弧驅動電路，
1.15、聞壓穩弧驅動電路。MAG焊接系統2中2.1、整流濾波電路，2. 2、逆變電路，2. 3、中頻變壓器，2. 4、二次整流電路，2. 5、電流萊姆，2. 6、電壓萊姆，2. 7,MAG單片機，2. 8、電流採樣及濾波，2. 9、電壓採樣及濾波，2. 10、保護電路，2. 11、逆變驅動電路。前面板輸入及顯示3中3.1、焊接參數給定，3. 2、焊接參數顯示。送絲系統4中4.1、焊槍開關，4. 2、送絲給定，4. 3、氣閥，4. 4、送絲機調速電路。電弧能量輸出5中5.1、MAG 焊槍，5. 2、TIG 焊槍，5. 3、母材。
具體實施方式
現結合附圖對本發明的實施方式進行實例說明。如圖1所示為本實例實施的總體系統框圖。TIG焊的主電路由三相輸入380V交流電首先經過輸入整流部分1.1進行整流濾波後，變為高壓直流。然後此直流電經過逆變電路1. 2進行逆變，再經過中頻變壓器1. 3的降壓隔離後變為20KHz的交流電，隨後經過二次整流1. 4部分進行整流濾波，變為焊接所用的大電流低電壓的直流電，供給焊接功率輸出。由於TIG焊接需要高頻電壓的引弧過程，以及在MAG焊接過程中，短路階段和燃弧階段的切換容易使得TIG電弧熄滅，所以該方法在系統中加入了高頻引弧1. 7和高壓穩弧1.8模塊。MAG焊的主電路由三相輸入380V交流電首先經過輸入整流部分2.1進行整流濾波後，變為高壓直流。然後此直流電經過逆變電路2. 2進行逆變，再經過中頻變壓器2. 3的降壓隔離後變為20KHz的交流電，隨後經過二次整流部分2. 4進行整流濾波，變為焊接所用的大電流低電壓的直流電，供給焊接功率輸出。TIG焊接的控制部分主要包括四個部分其一是產生驅動信號，這包括逆變驅動電路1. 13的驅動、高頻引弧驅動1. 14信號和高壓穩弧驅動1. 15信號；其二是將接受到來自逆變的保護信號通過保護電路1. 12傳遞給DSP系統1. 9，以產生保護動作，即關斷相應的PWM驅動輸出；其三是接收電流採樣及濾波1. 10和電壓採樣及濾波的信號1. 11以獲得實時的焊接電流和電壓值。電流採樣及濾波採回焊接過程中的實際電流If用於PI控制，實時調整電流偏差，實現閉環控制。電壓採樣及濾波採回焊接過程中的實際電壓Uf用於整個階段的電壓控制；其四是來自MAG焊電源中DSP的信號，以完成兩個DSP的協同控制。TIG焊的控制部分主要完成外部信號的響應，並經過軟體處理、計算和轉換後與MAG焊中的DSP協同對系統進行控制，完成預定的焊接目的。MAG焊接的控制部分主要包括六個部分其一是產生驅動信號，這包括逆變驅動電路2. 11的驅動；其二是將接受到來自逆變的保護信號通過保護電路2. 10傳遞給DSP系統2. 7，以產生保護動作，即關斷相應的PWM驅動輸出；其三是接收電流採樣及濾波2. 8和電壓採樣及濾波2. 9的信號以獲得實時的焊接電流和電壓值。電流採樣及濾波採回焊接過程中的實際電流If用於PI控制，實時調整電流偏差，實現閉環控制。電壓採樣及濾波採回焊接過程中的實際電壓Uf用於整個階段的電壓控制；其四是來自TIG焊電源中DSP的信號，以完成兩個DSP的協同控制；其五是通過DSP獲得的來自前面板輸入及顯示部分的焊接參數預置，獲得焊接初始參數；其六是通過DSP獲得的來自送絲部分的焊槍開關4.1的信號。MAG焊的控制部分主要完成焊接參數輸入和外部信號的響應，並經過軟體處理、計算和轉換後與TIG焊中的DSP協同對系統進行控制，完成預定的焊接目的。前面板輸入及顯示部分為外圍設備控制及執行部分。焊接參數給定3.1對核心控制部分輸入，實現焊接參數的設定，並通過焊接參數顯示3. 2進行顯示，使其能實時顯示焊接電流和電壓。送絲系統接受來源於焊槍開關4.1的信號和部分輸入，決定送絲給定4. 2和氣閥
4.3的數值和狀態。圖2所示為能量輸出部分的示意圖，箭頭所指為電流流向方向，TIG電極與MAG焊絲之間的距離為2-6mm，TIG電極與母材之間的距離為3_7mm，MAG焊絲與母材之間的距離為18-25_。在耦合電弧的焊接過程中，我們對焊絲和母材之間的電弧進行實時檢測和反饋，當MAG焊弧長減小，弧壓減小A U1，焊絲長度增加時，提高TIG電源焊接電流A I1，(其中A I1=Icp A U^ka E A Ui, kp，ka 為常數，20 彡 kp 彡 100,0. 05 彡 ka 彡 0. 5，A I1 為 TIG 焊電流增大量，A U1為MAG焊弧壓減小量，-2V ^AU1 ^ 2V, A Ui為第i次MAG焊弧壓減小量，i取正整數)，增加熔敷金屬量，實現減小焊絲長度，增大弧長的目的；當MAG焊弧長增大，弧壓增大A U2，焊絲長度減小時，降低TIG電源焊接電流A I2,(其中A I2=kp A U2+ka EAUj,kp, ka為常數，20彡kp彡100,0. 05彡ka彡0. 5，A I2為TIG焊電流減小量，A U2為MAG焊弧壓增大量，-2V ^AU2 ^ 2V,A Uj為第j次MG焊弧壓增大量，j取正整數)，減小熔敷金屬量，實現增大焊絲長度 ，減小弧長目的。
權利要求
1.一種耦合電弧的弧長調節系統，其特徵在於其包括TIG焊接系統(I)、MAG焊接系統(2)、前面板輸入及顯示(3)、送絲系統(4)和電弧能量輸出(5)；TIG焊接系統(I)主電路包括整流濾波電路(1.1)、逆變電路(1. 2 )、中頻變壓器(1.3)、二次整流電路(1.4)、電流萊姆(1.5)、電壓萊姆(1. 6)、高頻引弧(1.7)和高壓穩弧(1.8);三相輸入380V交流電接整流濾波電路(1.1 )，然後按順序串聯逆變電路(1. 2)、中頻變壓器(1. 3)、二次整流電路(1. 4)三個部分，二次整流電路(1. 4)兩端分別接MAG焊槍(5.1)和TIG焊槍(5. 2)，電流萊姆(1. 5)和高頻引弧(1. 7)串聯在二次整流電路(1. 4)和TIG焊槍(5. 2)之間，電壓萊姆(1. 6)和高壓穩弧(1. 8)並聯在MAG焊槍(5.1)和TIG焊槍(5. 2)之間；其中的控制電路包括核心部分和驅動執行部分；核心控制部分包括DSP系統(1.9)、電流採樣及濾波(1. 10)、電壓採樣及濾波(1. 11)以及保護電路(1. 12) ；DSP系統(1. 9)與MAG焊接部分的DSP系統(2. 7)相連，形成通信，並連接電流採樣及濾波(1. 10)、電壓採樣及濾波(1. 11)和保護電路(1. 12)，接受他們傳遞的信號，與逆變驅動電路(1. 13)、高頻引弧驅動電路(1. 14)和高壓穩弧驅動電路(1. 15)相連，給予它們驅動信號；電流採樣及濾波(1. 10)和電壓採樣及濾波(1. 11)的一端與DSP系統(1.9)相連，另一端分別與主電路中的電流萊姆(1. 5)和電壓萊姆(1. 6)相連；驅動部分包括逆變驅動電路(1. 13)、高頻引弧驅動電路(1. 14)、高壓穩弧驅動電路(1. 15);逆變驅動電路(1. 13)與逆變電路(1. 2)相連，傳遞信號給保護電路(1.12)，並接收來自DSP系統(1. 9)的驅動信號，高頻引弧驅動電路(1. 14)和聞壓穩弧驅動電路(1. 15)分別於DSP系統(1.9)相連，並分別驅動聞頻引弧(1. 7)和聞壓穩弧(1. 8)；MAG焊接系統(2 )主電路包括整流濾波電路(2.1)、逆變電路(2. 2 )、中頻變壓器(2.3)、二次整流電路(2. 4 )、電流萊姆(2.5)、電壓萊姆(2. 6 );三相輸入380V交流電接整流濾波電路(2. 1)，然後按順序串聯逆變電路(2. 2)、中頻變壓器(2. 3)、二次整流電路(2. 4)三個部分，二次整流電路(2. 4)兩端分別接MAG焊槍(5.1)和工件(5. 3)，電流萊姆(2. 5)串聯在二次整流電路(2. 4)和MAG焊槍(5.1)之間，電壓萊姆(2. 6)並聯在MAG焊槍(5.1)和工件(5. 3)之間；其中的控制電路包括核心部分和驅動執行部分；核心控制部分包括DSP系統(2. 7)、電流採樣及濾波(2. 8)、電壓採樣及濾波(2. 9)以及保護電路(2. 10)；DSP系統(2. 7)與TIG焊接部分的DSP系統(1. 9)相連，形成通信，並連接電流採樣及濾波(2. 8)、電壓採樣及濾波(2. 9)和保護電路(2. 10)，接受他們傳遞的信號，與逆變驅動電路(2. 10)相連，給予驅動信號；電流採樣及濾波(2. 8和電壓採樣及濾波(2. 9)的一端與DSP系統(2. 7)相連，另一端分別與主電路中的電流萊姆(2. 5)和電壓萊姆(2. 6)相連；驅動部分包括逆變驅動電路(2. 11);逆變驅動電路(2. 11)與逆變電路(2. 2)相連，傳遞信號給保護電路(2. 10)，並接收來自DSP系統(2. 7)的驅動信號；前面板輸入及顯示(3 )包括焊接參數給定(3.1)和焊接參數顯示(3.2);焊接參數給定(3.1)和焊接參數顯示(3. 2 )均與MAG焊中的DSP系統(2. 7 )相連，進行顯示和送絲信號與DSP系統(2. 7)的信號傳遞；送絲系統(4)包括焊槍開關(4.1)、送絲給定(4. 2)、氣閥(4. 3)和送絲機調速電路(4. 4) ;MAG焊系統中DSP通過光電隔離(4. 5)與焊槍開關(4.1)、送絲給定(4. 2)和氣閥(4. 3)相連，焊槍開關(4.1)、送絲給定(4. 2)和氣閥(4. 3)通過送絲機調速電路(4. 4)與MAG焊中送絲輪相連；電弧能量輸出(5)包括MAG焊槍(5.1)、TIG焊槍(5. 2)和母材(5. 3);其中TIG焊槍(5.2)中的TIG電極與MAG焊絲之間的距離為2_6mm，TIG電極與母材(5. 3)之間的距離為3-7mm, MAG焊槍(5.1)中的MAG焊絲與母材(5. 3)之間的距離為18_25mm。
2.權利要求1所述弧長調節系統的控制方法，其特徵在於MAG和TIG焊分別採用獨立電源，兩個電源之間形成通信，MAG焊使用恆流源，焊絲和母材之間形成電弧，採用自由過渡的熔滴過渡形式，可保證母材熱輸入的恆定；TIG焊中，電極和焊絲形成電弧，兩個電弧組成耦合電弧；在焊接過程中，我們對焊絲和母材之間的電弧進行實時檢測和反饋，當MAG焊弧長減小，弧壓減小Λ U1，焊絲長度增加時，提高TIG電源焊接電流Λ II，增加熔敷金屬量，實現減小焊絲長度，增大弧長的目的，其中Λ I^kp AU^ka EAUi, kp，ka為常數，20彡kp彡100，O. 05彡ka彡O. 5，Λ I1為TIG焊電流增大量，Λ U1為MAG焊弧壓減小量，-2V ^AU1 ^ 2V,A Ui為第i次MAG焊弧壓減小量，i取正整數；當MAG焊弧長增大，弧壓增大Λ U2，焊絲長度減小時，降低TIG電源焊接電流Λ I2，減小熔敷金屬量，實現增大焊絲長度，減小弧長的目的，其中Λ I2=kpAU2+ka ΣΛυ」，kp，匕為常數，20彡kp< 100，O. 05彡ka彡O. 5，Λ I2為TIG焊電流減小量，Λ U2為MAG焊弧壓增大量，-2V彡Λ U2彡2V,Δ Uj為第j次MAG焊弧壓增大量，j取正整數。
全文摘要
一種新型耦合電弧的弧長調節系統及其控制方法，屬於焊接方法設備及自動化領域。兩個電弧採用獨立電源控制，MAG焊使用恆流源，焊絲和母材之間形成電弧，電弧對焊絲和母材進行加熱，採用自由過渡的熔滴過渡形式；TIG焊中電極和母材之間形成電弧，電弧對焊絲輔助加熱。在焊接過程中，對焊絲和母材之間的電弧進行實時檢測和反饋，當MAG焊弧長減小，弧壓減小，焊絲長度增加時，提高TIG電源焊接電流，增加熔敷金屬量；當MAG焊弧長增大，弧壓增大，焊絲長度減小時，降低TIG電源焊接電流，減小熔敷金屬量。本發明通過調節TIG電源的能量輸出來調節熔敷金屬量的大小，來調節弧長的波動。MAG電源採用恆流源代替恆壓源，可實現母材熱輸入的恆定，提高了焊接穩定性和焊接質量。
文檔編號B23K9/095GK103028815SQ201210499779
公開日2013年4月10日 申請日期2012年11月29日 優先權日2012年11月29日
發明者黃鵬飛, 韓國良, 盧振洋, 白韶軍 申請人:北京工業大學