专利名称：斜特性式脉冲熔化极气体保护焊弧长自动调节方法
技术领域：
本发明涉及一种脉沖熔化极气体保护焊逆变电源自动调节弧长方法，尤其是 以脉沖熔^f缘气体保护焊逆变电源外特性斜率为判据，以峰值电流时间为控制量 的斜特性式脉沖熔化极气体保护焊电源弧长自动控制方法。
背景技术：
熔^^及气体保护焊过程中熔滴过>^_个动态过程，弧长与弧压也随之是个动 态变量，只有稳定的平均电弧电压，不可能也没有必^"精确控制电弧电压波形，
^a^必^4"可能精确控制电流波形，使4每个熔滴^^过渡周期都1^一致， 从而使整个焊接过禾封t、定。
目前，熔化极气体保护焊设备已广泛釆用逆变式直流焊接电源，炫^4 l气体 保护逆变电源不仅具有体积小、重量轻、效率高等优点，而且开拓了发展各种脉
冲式或波控式熔化极气体保护焊机的新局面。基于IGBT逆变电源的工作频率高大 20KHz，逆变式熔^4 L气体保护焊电源的控制周期仅为50us，具有非常优良的动 态响应特性，能以0. lms的响应it;l控制熔^^l气体保护焊燃弧过程及短路过程 的电流波形，在焊接过程中，熔化极气体保护焊燃弧阶段的电流峰值与基值可被 姊青确控制在i殳定值，实现理想的电流波形控制使每个熔滴的能量得到定量控制， 从而大幅度提高设备的焊接性能。
实践表明，要进行熔化极气体保护坪逆变电流波形控制就必须采用恒流式控 制方式，但在脉冲熔化极气体保护焊设备采用恒流闭环控制熔化才及气体保护焊脉 沖电流波形时，其电源外特性也就为恒流特性，即脉冲熔化极气体保护焊机不再 具有平特性熔化极气体保护焊电源的电弧电压自身调节功能。众所周知，在等速 送丝式熔^^L气体4呆护焊i殳备中，传统M用平特性熔^fel气体保护焊整流电源 来解决电弧电压自动调节问题，佳谅化极气体保护焊机有足够的电弧电压自身调 节强烈性，否则熔^f及气体保护焊接电弧电压不能稳定，焊接过程也就无法稳定。 这样，如何保证熔化极气体保护焊电源具有电弧电压自动调节功能就成为了 一大
研咒热点o
发明内容
根据背景技术所述，本发明的目的在于提供一种既保持了脉冲熔化极气体保 护焊逆变电源峰值与基值电流的恒流特性以精确控制电流波形，又^J^沖熔化极 气体保护彈接电源成为外特性斜率可调的斜特性电源，从而保证了脉冲熔化极气体保护焊逆变电源在焊接过程中具有足够强烈的电弧电压自动调节特性的斜特性 式脉沖熔^^及气体保护焊弧长自动调节方法，此方法以外特性斜率为判据，以峰 值电流时间为控制量，通过电弧电压反馈控制峰值电流时间使脉沖焊逆变电源获 得可调的斜降伏安特性，在焊接电弧长度变化时自动调节焊接电流与焊丝熔^it 度来恢复弧长，^^冲熔^f及气体保护焊过程的电弧电压与弧长自动调节到稳定 工作点。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下效果与优点
(1)合理解决了熔化极气体保护焊釆用恒流控制电流波形时的自动调节电 弧长度与电弧电压问题；
(2 )可以通过调节脉冲熔化极气体保护焊电源外棒f生斜率来定量调整其弧 长自动调节强度；
(3) 斜特性式脉沖熔化极气体保护焊电源具有自适应调节M功能，无需 设定焊接电压，焊接过程就能自适应稳定在一定的弧长与电弧电压；
(4) 本发明适用于各种波控式炫^4 l气体保护焊，包括MIG焊、MAG焊与 C02气^^呆护焊。
图1为本发明控制系统原理图
图2为本发明自动调节控制才莫型框图
图3为本发明脉沖峰值电流时间调节关系曲线
图4为本发明自动调节模型产生的脉冲熔化极气体保护焊外特性曲线
图5为^^明自动调节示意图
图6为本发明自动调节系统自适应控制原理图
图7为本发明自动调节系统自适应控制示意图
务沐实施方式
一种斜特性式脉冲熔化极气体保护焊孤长自动调节方法，主要采用斜特性式 脉冲熔化极气体保护焊弧长自动调节模型来建立斜特性式脉沖熔>^及气体保护焊 电源控制系统，采用脉冲熔化极气体保护焊电源的外特性斜率设计算法来定量调 整其弧长自动调节强度。
由图1示出，本发明的弧长自动调节系统是以脉沖C02焊峰值电流时间tp为 控制量，以脉沖C02焊的平均电流与电压间斜特性关系为准则，通过电弧电压闭 环反馈控制tp，使系统得到稳定的电弧电压工作点。
由图2示出，为斜特性式脉冲C02焊电弧电压自动调节系统的控制模型框图。 此自动调节系统的工作过程如下C02焊接电弧电压Uh祐反馈到系统输入端与设 定的名义焊接电压Us进行比较，检测出焊接电压偏差值A ；将焊接电压偏差值A 输入G1调节环节后产生峰值电流时间调整量A^ =《.A ；#^值电流时
间调整后产生焊接电流调整量A^ =G2.A^;由焊接电流调整量A^产生焊丝炫化
速度变化量A、 = G3 ;由焊丝熔^it度变化量A、与等速，速度Ve共同作 用下使焊丝末端与熔池表面距离发生变化，即电弧长度产生变化量A^G, .△、； 由于电弧长度变化量AX导致电弧电压偏差减小A^ =G5 .AX;以上过程不断闭环
进行，周而复始，则使电弧电压趋于稳定工作点，在稳定工作点时的焊丝熔^it
度等于焊丝送iii4^。
图2中的名"周节函数关系为 G产-Kt
G5=EC F=KV
其中，Kt为峰值电流时间调节系数 Ip为峰值电流设定值 T。为脉沖熔化极气体保护焊脉冲周期 V。为C02焊过程中设定的等速i^ii速度 Ar为脉冲C02焊电弧电压自动调节系统的调整时间量 E。为C02焊电^^M主电场强度 Kv为0)2焊电弧电压传感系数
由图3示出本发明的务jO中C02焊电弧电压自动调节才莫型的关系曲线^(f^),图
4所示为脉冲C02焊电源斜外特性曲线/w( )。
关系曲线,p(t^)表明，在电弧电压的工作范围内，当电弧电压变化量为A
时，自动调节系统就产生反向的J^值电流时间调节量A/p，即A p:-其
中Kt就为特性曲线^f率。
脉沖C02焊电源斜外特性曲线^(f^)表明，在电弧电压工作范围内，当电弧电压变化a 时，自动调节系统通过调节峰值电流时间^就可以产生反向的焊接
电流变化量a^ ，即〃 .a[^)=a"h ,其中K就^:斜外特性曲
线的斜率，有 丄 (式i)
则，斜特性式脉沖C02焊机电弧电压自动调节系统的控制模型为 a/ff《碼(式2 )
如图5、 6所示，式2自动控制模型的物理本质是，通过对焊丝熔^it度的 闭环控制，脉冲0)2焊;^几的输出电流能随焊接电弧电压变化而自动调节，当电弧 电压Uh变大时，电弧电流Ih就自动减小，从而使电弧能量减小，焊丝熔^it度降 低，在送丝i4y变为等速不变的情况下，焊丝末端向熔池移动，自动减小电弧长度 与电弧电压；当电弧电压Uh变小时，电弧电流Ih就自动增大，从而使电弧能量增 大，焊丝熔^i4^变大，自动增加弧长与电弧电压。上述自动调节过程在脉冲C02 焊过程中不断进行，使焊接电弧长度与焊接弧电压在稳定工作点达到动态平衡。 实际上，jH^I定工作点不一定就是设定的参考焊接电压Us值，而是一个能保持焊 丝;fc^f^4度与焊丝送i4iiJL动态平衡的工作点。
如图7所示，在脉沖熔化极气体保护焊电源外特性斜率不变的情况下，随意 改变焊丝送iiit度，焊接过程都能自动稳定在新的工作点；同样，在，速度不 变的情况下，改变电源外特性斜率，或改变焊接电流峰值都不会影响焊接过程的 稳定性。因而，本发明具有良好的自适应调节焊接稳定工作点电压与电流功能。
又知，脉冲C02焊电源外特性斜率设计算式的推导过程如下
本发明提出的脉冲0)2焊电弧电压自动调节方法的控制模型(式2 )表明，其 自动调节电弧电压的强烈性取决于脉冲C02焊电源外棒性斜率K，通过合理设计斜 率K值就可以保证电源有足够的电弧电压自动调节强度。这样，通过定量设计斜 率K值，就可以定量调整电源的电弧电压自动调节强度。鉴于，斜率K值是可以 通过测定脉冲C02焊电源外特性而实测出的，这就4吏得本发明提出的自动调节方 法具有可以直观定量确定其电弧电压自动调节强度的特点。
脉沖C02焊电源外特性斜率K值设计原则是在弧长调节周期r,内，产生与弧 长变化量a^相当的反方向焊丝末端位移量，使弧长与电弧电压自动回至稳定值。
即 a、.7^-a[^.丄 (式3)(式3)中左项为焊丝熔^iiA变化引起的焊丝末端位移量；等式右项为脉 冲C02焊弧长变化量。
在焊接过程稳定时，焊丝熔化ii^Vm与焊丝送iiii度v。保持动态平衡，有
贝'J 《"K"^ 此关系代入(式3)有
由(式2)的自动调节控制模型，则^寻斜率K设计算式
"4^~~ (式4)
应用式4可定量设计脉沖C02焊电源外特性斜率K值，其计算步骤为 (1)确定脉冲C02焊得平均焊接电流值1 在焊接过程稳定有近似关系
V^+V" (式5)
其中，^分别为根据焊接工艺设定的脉沖C02焊峰值电流与基值电流值；
~、"分别为设定的脉沖C02焊峰值电流时间与基值电流时间。 (2 )确定脉沖C02焊的，iiA Vc
可按脉冲C02焊的平均焊接电流值Ih在C02焊熔化特性曲线中查得相应的焊丝 送iii4^Vc,也可在按焊接工艺选定焊丝送i^it度时实测出Vc值。 (3 ) i殳定脉沖C02焊单位电弧电压变化时的自动调节周期r,，
由于C02焊弧长自动调节过程是依靠斜特性电源改变焊接电流而调节焊丝熔 ^it;复的热过程，其自动调节周期一^L在0. 5—1秒范围内就能保持焊接电 似惑定 燃烧。
(4 )按式4计算外特性斜率K的初值 将以上各步骤确定或设定的值输入(式4 ),则可求得脉冲C02焊电源外特性 斜率的初值。
(5)修正K值
由(式2)可进一步求得脉冲C02焊电源峰值电流调节系数《，即<formula>formula see original document page 9</formula>
按此X,初值建立脉沖C02焊电弧电压自动调节系统后，根据焊接实验效果可
修正K值，使电^Ml、定性进一步改善。如，焊接过程中系统自动稳^ii度较慢使
弧长波动较大时，就可减小电源外棒性斜率K值；又如焊接过程中出现电流振荡 现象时，就应增加电源外特性斜率K值，以避免电弧电压自动调节狄过快而引 起的振荡问题。
此方法的^^原理是:脉沖熔化极气体保护焊逆变电源以外特性斜率为判据， 以峰值电流时间为控制量，通过电弧电压反馈控制峰值电流时间获得可调的斜降 伏安特性，在焊接电弧长度变化时自动调节焊接电流与焊丝熔4^1来恢复弧长， ^J^冲熔化极气体保护焊过程的电弧电压与弧长自动调节到稳定工作点。此方法 可以既保证脉冲气体保护焊逆变电源峰值与基值电流的恒流特性以精确控制电流 波形，又^l^冲气体保护焊接电源成为斜特性电源，从而保ii^焊接过程中脉冲 熔^^l气体保护焊逆变电源具有足够强烈的电弧电压自动调节特性。
权利要求
1、一种斜特性式脉冲熔化极气体保护焊自动调节电弧电压的方法，主要通过斜特性式脉冲熔化极气体保护焊弧长自动调节模型，采用脉冲熔化极气体保护焊电源的外特性斜率计算法来定量调整其弧长的自动调节强度，来建立斜特性式脉冲熔化极气体保护焊电源控制系统，以外特性斜率为判据，以峰值电流时间为控制量，通过电弧电压反馈控制峰值电流时间使脉冲焊逆变电源获得可调的斜降伏安特性，在焊接电弧长度变化时自动调节焊接电流与焊丝熔化速度来恢复弧长，使脉冲熔化极气体保护焊过程的电弧电压与弧长自动调节到稳定工作点。
2、 根据权利要求1所述的斜特性式脉沖熔化极气体保护焊自动调节电弧电压的 方法，其特征在于弧长自动调节模型是通it^t焊丝熔化速度的闭环控制， 脉冲C02焊机的输出电流能随焊接电弧电压变化而自动调节，当电弧电压Uh变大时，电弧电流Ih就自动减小，从而使电弧能量减小，焊丝熔^itvl降低，在送丝速度为等速不变的情况下，焊丝末端向熔池移动，自动减小电弧长度 与电弧电压；当电弧电压Uh变小时，电弧电流Ih就自动增大，从而使电弧能 量增大，焊丝熔化速度变大，自动增加弧长与电弧电压；自动调节过程在脉 冲C02焊过程中不断进行，使焊接电弧长度与焊接弧电压在稳定工作点达到动 态平衡。
3、 根据权利要求1所述的斜特性式脉冲炫化极气体保护焊自动调节电弧电压的 方法，其特征在于脉冲C02焊电源外特性斜率K值设计原则是在弧长调节周 期7;内，产生与弧长变化量A ^相当的反方向焊丝末端位移量，使弧长与电弧 电压自动回至稳定值。
4、 根据权利要求3所述的斜特性式脉沖熔化极气体保护焊自动调节电弧电压的 方法，其特征在于斜率夂=4^^，式中，lH为平均焊接电流值，/乂p力+",其中，A分别为根据焊接工艺设定的脉冲C02焊峰值电流与差d直电流值；^、 ^分别为设定的脉沖C02焊峰值电流时间与基值电流时间，Vc为送丝M，可按脉冲C02焊的平均焊接电流值Ih在0)2焊熔化特性 曲线中查得相应的焊丝送iii4度Ve,也可在按焊接工艺选定焊丝送iiit度时 实测出Ve值，Ec为电弧弧柱电场强度，7;为单位电弧电压变化时的自动调节 周期， 一般在0.5—1秒范围内就能保持焊接电SM惑定燃烧，修正K值可得式中，T。为脉沖熔化极气体保护焊脉沖周期，按此^初值建立脉沖C02焊电弧电压自动调节系统后，根据焊接实验效果可修正K值，使电^MI、 定性进一步改善。
全文摘要
一种斜特性式脉冲熔化极气体保护焊自动调节电弧电压的方法，主要通过焊弧长自动调节模型，采用焊电源的外特性斜率计算法来定量调整其弧长的自动调节强度，来建立斜特性式焊电源控制系统。本发明的方法以外特性斜率为判据，以峰值电流时间为控制量，使脉冲熔化极气体保护焊过程的电弧电压与弧长自动调节到稳定工作点。本发明的方法简单有效，具有自适应调节参数功能，适应性强，可用于MIG焊、MAG焊与CO<sub>2</sub>气体保护焊。
文档编号B23K9/173GK101612688SQ200810115640
公开日2009年12月30日 申请日期2008年6月26日 优先权日2008年6月26日
发明者蒋力培, 勇 邹 申请人:北京石油化工学院