专利名称：一种铝合金双丝双脉冲焊接方法及其焊接电源的制作方法
技术领域：
本发明属于铝合金高速弧焊加工技术领域，特别涉及铝合金双丝双脉冲焊接技术
领域，具体是指一种铝合金双丝双脉冲焊接方法及其焊接电源。
背景技术：
铝及其合金不仅具有比重小、强度高、抗腐蚀性能强的特点，并且拥有优良的挤压 性能、良好的可焊性、较高的比强，所以近年来已经被广泛应用在航空、航天、核能以及军事 工业等各个领域，而随之相应的铝合金焊接技术也在突飞猛进的发展。 按照现有技术，铝及铝合金其焊接工艺和方法除了直流单脉冲MIG焊以外，还有 以下几种。 (l)TIG焊(Tungsten Inert Gas) TIG焊是铝合金焊接中应用最广的一种焊接方法。从焊接工艺特点分为直流正接 TIG焊、直流反接TIG焊和交流TIG铝焊。直流正接TIG焊，鸨极可以承受很大的电流而不 被烧损，长时期保持钨极端部形状的稳定性，易于获得性能一致的焊接接头，但是没有阴极 雾化作用，不易清除掉焊接过程中产生的氧化膜。直流反接TIG焊，铝合金表面阴极斑点能 量密度高，并且氧化膜的电子逸出功小，电弧阴极斑点容易在它上面建立，受到质量很大的 正离子的撞击时，表面氧化膜破碎蒸发被清除掉，从而达到阴极清理的目的。交流TIG铝焊 较好的熔深和清除氧化膜分别是正、负极性钨极气保焊的基本特性，使用交流电源的钨极 气保焊在这两种特性上取得了平衡，在正极性的半周，电弧有效地破除了附着在材料表面 的氧化铝薄膜，而在负极性的半周，则将材料熔合。
(2)交流MIG焊 交流MIG焊发展较早，它可以有效克服直流电弧的磁偏吹。交流MIG焊可以看成 是交替切换DCEP PMIG电弧及DCEN PMIG电弧形成的。它的电弧力及电弧热的特点介于 DCEP PMIG及DCEN PMIG之间，其熔深介于二者之间，有利于稳定焊接过程及焊接质量。在 许多国家，特别是日本，仍在不断的加强、完善它，如过零技术、起弧技术等等。交流MIG焊 可用于焊非常薄的铝板。焊丝位于负极时，可加快焊丝的熔化速度。当焊丝为正极时，可实 现阴极破碎作用，因此可很灵活地调节电流波形来满足焊接现场的要求。
(3)铝合金变极性等离子弧焊(VPPA) 在航空、航天领域，飞行器的制造过程经常涉及到铝合金厚件的焊接，由于TIG焊 热效率较低，一般只能焊接3mm以下的铝合金板材，厚度增加必须开坡口，厚度达到一定值 时需要采用多层焊的方法，大大降低了生产效率，且电极烧损较快。采用变极性等离子弧焊 技术能有效地解决上述问题。变极性等离子弧焊接方法与钨极氩弧焊(电弧温度8000K) 相比较，具有能量集中、电弧温度高(16000 33000K)、穿透性强、稳定性好、焊接速度快等 特点，焊缝质量好、热影响区小，变形小等优点，能一次性焊透12mm的铝合金板材，而不用 开坡口，大大提高了焊接生产效率。通过小孔型立焊工艺可消除气孔等焊接缺陷，实现"无 缺陷"焊接，从而可解决长期以来难以解决的铝合金构件焊接质量不稳定的问题。[OOW] (4)低频调制型脉冲焊(双脉冲MIG焊) 低频调制型脉冲焊是用0. 5-50Hz的低频脉冲对频率较高的单位脉冲(控制熔滴 过渡的脉冲)的峰值和时间进行调制，使单位脉冲的强度在强和弱之间低频周期性切换， 得到周期性变化的强弱脉冲群，电弧力和热输入相应地也随低频调制频率而变化。用于焊 铝及其合金，不仅能获得鱼鳞状焊缝表面，而且能扩大可焊焊接接头的间隙变化范围，减少 焊接气孔，细化焊缝晶粒，降低焊缝裂纹敏感性。
(5)激光焊 用于铝合金的激光焊设备从介质上分，主要有两种，一种是(A激光装置，目前已 开发用于工业焊接的整机功率已达45KW ;另一种是一个带钇铝石榴石涂层的钕单晶棒的 激光Nd:YAG装置，已开发的整机功率已达5KW。激光焊的主要特点是焊速高，变形小，较易 实现焊接的自动化，例如铝制汽车车体的焊接。激光焊用于钢铁件的焊接是非常成功的，但 用于铝的焊接工作时，就会出现问题。由于铝件表面对激光的反射作用以及铝的高热传导 率，需要增大激光能量密度，在有的激光装置中，经过聚焦，其能量密度已大于107W/cm2。在 C02激光装置中，能量密度应大于4X 106W/cm2，否则焊束缺乏穿透力；焊缝气孔较多，并且 容易产生裂纹。在Nd:YAG激光装置中，由于所产生的激光波长较短，为1.06iim，铝合金表 面对其产生的反射作用较小，所以以上问题尚不突出。 其中，低频调制型脉冲焊(双脉冲MIG焊)生产率高、易实现自动化，是铝合金焊 接生产的主要工艺方法之一。以往几乎所有脉冲焊的研究和应用都是针对钢，而随着铝的 广泛应用，最近几年关于铝合金脉冲焊接的研究也逐渐增多。但是在实际的铝焊接应用中 依然存在着很多的问题，为了获得更好的焊接质量，对双脉冲MIG焊铝的工艺特点进行研 究具有重要的意义。 双脉冲MIG焊是在常规脉冲MIG焊技术的基础上针对铝合金焊接而设计的一种新 工艺。如果参数设置得当，就可以降低气孔发生率，细化焊缝晶粒，扩宽焊接头间隙范围，从 而在确保焊接质量的前提下，实现较高的焊接效率。然而，在进行双脉冲MIG焊的时候需要 调节的参数非常多，所以它也是一项相对比较复杂的工艺。 一些重要参数，如强弱脉冲的基 值峰值电流大小和时间，强弱脉冲的频率和占空比，送丝速度和焊接速度等，对于焊接过程 的稳定性和焊缝成形都有直接的影响。如果要在每次焊接前正确搭配好所有的参数，无疑 给焊接人员带来了巨大挑战。并且铝合金的物理特性与钢差别较大，对焊接参数的搭配要 求比较高，任何一个参数选择不合理都有可能导致焊接效果急剧恶化。所以如何进行各项 参数的合理匹配，并形成一元化调节的专家数据库，是摆在焊接领域研究人员面前的重要 课题。可以看出，数字控制在这个过程当中能够起到显著的作用。因此，在MIG焊工艺研究 的基础上进行铝合金双脉冲MIG焊的数字控制研究，对获得优异的铝合金自动焊效果具有 极其重要的意义。 在国外，FRONIUS公司和CLOOS公司都已经开发出了一系列带有专家数据库的数 字化逆变式脉冲MIG/MAG焊机，这些焊机售价高昂，其核心技术就是其中可以不断升级的 专家数据库。但在国内，双脉冲焊铝技术正在研究之中，国内产焊机都还不能进行双脉冲 MIG焊的稳定焊接，更不用说双丝带有双脉冲焊接专家库系统了的焊机了 。
发明内容
本发明的目的在于针对铝合金焊接技术的发展趋势，为扩大焊接电源使用范围并 提高焊接效率，提供一种适用于铝合金双脉冲MIG焊接的，系统稳定性好、焊接效率高、调 试方便、具有良好操作界面、使用简单、带有焊接专家系统的铝合金双丝双脉冲数字化软开 关逆变焊接电源。 为了实现上述目的，本发明的焊接系统包括一种由绝缘栅双极性晶体管(IGBT)
作为开关元件的移相软开关全桥逆变主电路，DSP控制电路以及人机交互系统。 所述铝合金双丝双脉冲焊接方法是指在高频的基础上，再对高频电流波形进行低
频调制，使单位脉冲的强度在强和弱之间低频周期性切换，得到周期性变化的强弱脉冲群，
通过两路脉冲群相位的配合实现铝合金的高效优质焊接。具体讲包括如下步骤 1)参数初始化后，DSP控制软件模块向人机交互系统发送焊接开始信号，接收获
取焊接参数，同时根据此参数进行一元化调节，自动获取其它相对应的焊接参数。每路脉冲
群的参数分别包括强脉冲峰值电流Ips和时间Tps、强脉冲基值电流Ibs和时间Tbs、弱脉
冲峰值电流Ipw和时间Tpw、弱脉冲基值电流Ibw和时间Tbw、强脉冲时间Ts和弱脉冲时间
Tw，其中pulsew表示弱脉冲群，pulses表示强脉冲群； 2)引弧成功后进入正常焊接过程，在此过程中进行瞬时能量熔滴过渡波形控制。 瞬时能量指电弧的瞬时电流和瞬时电压的乘积，系统通过检测并调整电源输出的瞬时电 流、电压波形，控制熔滴的能量，以达到减小飞溅和控制熔滴大小一致均匀过渡的目的；
3)DSP首先控制主电路1进入强脉冲阶段，主电路2比主电路1滞后一定相位进入 强脉冲控制阶段，此相位关系a可调，通过调节相位关系控制焊缝外形；
4)主电路1和主电路2分别进行强脉冲的峰值、基值交替控制，直至强脉冲控制阶 段结束，DSP控制主电路1进入弱脉冲控制阶段，主电路2比主电路1依然滞后强脉冲阶段 时的相位，主电路1和主电路2进行弱脉冲峰值、基值交替控制，直至弱脉冲控制阶段结束；
5)若焊枪没有松开，则继续进行强弱脉冲的交替瞬时能量熔滴过渡波形控制，若 焊枪松开，则进入到收弧阶段，收弧结束焊机进入等待焊接命令状态； 6)系统如果没有接收到具体的焊接参数，那么焊机按照上次设定的参数进行工 作。 所述主电路由依次连接的整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、整流平滑 模块组成。整流滤波输入模块与三相交流电相连，再连接高频逆变模块，高频逆变模块的输 出连接功率变压模块。整流平滑模块与负载相连。同时，过流检测模块的传感器连接在功 率变压模块初级线圈上；传感器与负载连接获得电流采样信号，电压信号直接从负载两端 取得。 所述DSP控制电路主要由DSP控制器TI DSP 2808与外围电路构成。包括过压欠 压保护检测模块、DSP控制器、电流电压采样检测与反馈模块、高频驱动模块、过流检测模块 和温度检测模块，另还有一 JTAG 口用于程序的下载烧录。DSP控制器分别与高频驱动模块、 电流电压采样检测与反馈模块、过压欠压保护检测模块和过流检测模块相连接。所述电流 电压采样检测与反馈模块的另一端还与负载相连接。过压欠压保护检测模块的另一端还与 三相交流输入端相连接。高频驱动模块还与高频逆变模块相连接。过流检测模块的另一端 与功率变压模块的初级相连。温度检测模块的另一端还与散热器连接。DSP控制器还连接
6有人机交互系统，电流电压采样检测与反馈模块也与人机交互系统相连。同时，DSP控制器 中还设有一个DSP控制软件模块。 所述高频驱动模块主要起到数模隔离以及功率放大作用， 一个模块中包括4个由 光耦TLP250与外围电路构成的高频驱动单元。光耦输入EP丽3A接到DSP控制器的P丽输 出I/O 口，由DSP控制器输出的四路相位差可调、死区时间可调的P丽信号，隔离和放大之 后变成能够驱动IGBT功率器件的四路两两互补的驱动信号。 所述电流电压采样检测与反馈模块由霍尔元件检测输出电流，得到采样信号，经 过分压，滤波，限压到DSP控制器。电压采样反馈电路直接与负载相连，对输出端电压进行 取样，信号经过滤波、运放、光藕隔离、分压和限压送给DSP。此外，调理出来的电流电压采样 信号亦会送至人机交互系统，由其进行A/D转换并于人机交互系统上显示实际焊接电流、 电压的值。 所述过流检测模块主要对功率变压模块的初级端的电流进行检测，由运放，光耦 等元件构成。 所述过压欠压保护检测模块主要起到在电网电压的波动时关断P丽信号输出的 作用，由运放，光耦等元件构成。 所述温度检测模块包括温度传感器、过热光耦、外围电路，其一端与散热器上的温 度传感器相连接，另一端与DSP控制器的中断输入引脚相连。 所述人机交互系统主要作用是用于参数给定的数字输入以及电源工作过程中的 各种参数的数字显示，其以一块LM3S818作为控制核心，结合CPLD实现接收焊接开关命令， 处理键盘与编码器的操作，负责参数的选择与输入，并对电流电压采样检测与反馈模块所 产生的焊接状态参数进行采样处理，并利用RS232串行总线和GPIO脚与主控芯片DSP通 信。同时，该面板采用模块化的设计思想，具有良好的可移植性，该面板包括电源及通讯接 口模块、数字编码器输入模块，显示及按键模块、主控模块，其中主控模块包括ARM和CPLD 最小系统。 其中，LM3S818接收DSP控制电路发送的焊接开关命令，处理键盘与编码器的操 作，负责参数的选择与输入，并对电流电压采样检测与反馈模块所产生的焊接状态参数进 行采样处理。对EPM240T100CPLD复杂可编程逻辑器件进行编程处理后，LM3S818与CPLD之 间通过SPI单方向通信，由ARM向CPLD发送显示指令，CPLD经过编译后对数码管和LED作 出控制，使显示与键盘操作相对应。 人机交互系统控制系统采用了 MCU+CPLD的设计方式来对数字化面板的输入输出 设备进行控制，这样既可以利用MCU的控制和运算能力对面板的输入输出操作进行程序 控制，产生相应控制命令；又可以利用CPLD丰富的I/O引脚和可灵活编程的特点，把MCU 发送的命令转化为面板上数码管和相应LED的显示。LM3S818的GPI0 Fl F5与CPLD EPM240T100的PA2 PA4引脚相连接，进行SPI通信，传输需显示的数据。正交编码器的 A、 B引脚与CPLD的G3、 G2脚相连接，对编码器的输入信号进行去毛剌处理，然后将处理后 的信号送入MCU的QEI接口 ，即CPLD的GO和Gl与LM3S818的PC6、 PC7相连，用编码器来 改变参数的值。CPLD同时控制着面板上所有的LED灯与2个数码管的显示，按键则由ARM 控制器控制。ARM控制器还与MAX232相连接，用于接受主控DSP的命令并向其传输人机交 互系统所设定的参数。
所述的DSP控制软件模块对电源系统进行控制的具体流程为 1)参数初始化后，向人机交互系统发送焊接开始信号，接收获取面板设定的参数， 并根据已设定的参数进行一元化设置，由专家系统自动获得其它与此相对应的参数；
2)进入起弧子程序，开始引弧，引弧成功后进入正常焊接过程，此时开始进入瞬时 能量熔滴过渡波形控制阶段； 3) DSP首先控制主电路1进入强脉冲阶段，主电路2比主电路1滞后一定相位进入 强脉冲控制阶段，此相位可调； 4)主电路1先进入强脉冲的峰值控制阶段，主电路2进入基值控制阶段； 5)主电路1强脉冲峰值控制阶段时间到，则进入强脉冲基值控制阶段，主电路2进
入强脉冲峰值控制阶段； 6)主电路1和主电路2分别进行强脉冲的峰值、基值交替控制，直至主电路1强脉 冲控制阶段结束； 7) DSP控制主电路1进入弱脉冲控制阶段，主电路2在完成强脉冲控制阶段后，依 然比主电路1滞后相应的相位进入弱脉冲控制阶段； 8)主电路1先进入弱脉冲峰值控制阶段，主电路2进入基值控制阶段； 9)主电路1弱脉冲峰值控制时间到，则进入弱脉冲基值控制阶段，主电路2进入弱
脉冲峰值控制阶段； 10)主电路1和主电路2分别进行弱脉冲的峰值、基值交替控制，直至主电路1弱 脉冲控制阶段结束； 11)若焊枪没有松开，则继续进行3)_10)所述强弱脉冲的交替的瞬时能量熔滴过 渡波形控制；若焊枪松开，则结束瞬时能量熔滴过渡波形控制阶段，主电路1与主电路2同 时进入到收弧阶段，收弧结束并向人机交互系统发送焊接结束信号，焊机进入等待焊接命 令状态。 在DSP控制软件模块中，还包括专家系统。所述专家系统是针对铝合金双脉冲焊 接所建立的专家系统，可对各类铝合金按照双脉冲焊接工艺特点进行焊接性分析，焊接人 员可方便地查询到分析结果，同时还可以对系统提供的焊接性分析结果进行浏览、修改、添 加、删除。专家系统中还内置了各种焊接特性的参考条件和各种参数的参考范围，可以直接 选择相应的焊接条件进行一元化调节，也可以在专家系统推荐参数范围中自行选择、设置 和调整。 在DSP控制软件模块中，还包括瞬时能量熔滴过渡波形控制过程与小波滤波控制 算法。所述瞬时能量指电弧的瞬时电流和瞬时电压的乘积，它的大小决定了电弧的长短和 熔滴的过渡形式，它对焊缝成形、飞溅、焊接缺陷以及焊缝的力学性能有很大的影响。本系 统通过检测电源输出的瞬时电流、电压波形，控制熔滴的能量，以达到减小飞溅和熔滴大小 一致过渡均匀的目的。 在对脉冲峰值和基值的波形控制过程中，需要对电流或者电压的检测采样信号进 行小波滤波算法控制，经小波滤波后得到更精确的采样信号，与给定的控制要求信号进行 比较，调整下次输出。 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果 1)本发明在国内首次提出并实现了全数字化的双丝双脉冲焊接方法和焊机开发，通过DSP TMS320F2808直接对双丝的协同控制，使焊机具有更好的一致性、动态响应性能。 利用软件实现双脉冲波形的控制，从而使焊接波形更为精确； 2)本发明区别于现有双丝焊机技术的一个特点就是双丝在同一个主机中，利用同 一个DSP直接控制两台焊机，不再是传统的主从式双丝焊机结构， 一方面节约体积，降低成 本，另外一方面减少通信所带来的问题； 3)本发明专利通过软件实现了双脉冲的波形控制，并通过大量实验，大致确定了 两路脉冲的相位匹配关系；其次将前期研究成果_瞬时能量熔滴过渡波形控制、小波滤波 控制算法、焊接速度与焊缝成形的定量关系等运用在脉冲波形控制过程中，在专家系统中 设计了参数的参考区间，可以使焊接过程的控制更精确，参数设置更可靠。从而实现稳定的 焊接过程，提高焊接质量； 4)本发明专利针对双丝双脉冲焊接控制波形参数众多，控制参数调节复杂的现 状，设计并开发了双丝双脉冲工艺专家系统，利用智能的专家系统实现了参数的一元化调 节，大大的提高了焊机的智能程度，降低了操作难度。
图1是本发明的一具体实施例的系统组成结构框图； 图2是本发明的一具体实施例的软开关主电路的电路原理图； 图3是本发明的一具体实施例的驱动和脉宽调制模块的电路原理图； 图4是本发明的一具体实施例的DSP控制器电路原理图； 图5(a)是本发明的一具体实施例的检测和保护环节电路原理图 图5(b)是本发明的一具体实施例的检测和保护环节电路原理图 图5(c)是本发明的一具体实施例的检测和保护环节电路原理图 图5(d)是本发明的一具体实施例的检测和保护环节电路原理图 图6是本发明的一具体实施例的人机交互系统原理框图； 图7是本发明的一具体实施例的人机交互系统控制系统电路图； 图8是本发明的一具体实施例的工作过程软件控制流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明，但是本发明的实施方法 和要求保护的范围并不局限于此。 如图1所示，为本发明的多功能数字化双丝软开关焊接电源，由主电路1和主电路 2，驱动与检测电路1和驱动与检测电路2， DSP控制器108，过压欠压保护检测模块109，以 及人机交互系统110构成。其中，主电路1和主电路2的结构组成是相同的，驱动和检测电 路1和驱动和检测电路2也是如此。以主电路1为例，由依次连接整流滤波模块101、高频 逆变模块102、功率变压模块103、整流平滑模块104组成。整流滤波模块101和三相交流 输入电源相连接，整流平滑模块104与负载相连接。此外，驱动与检测电路l由温度检测模 块106、高频驱动模块105、过流检测模块111、电流电压采样检测与反馈模块107组成。DSP 控制器108分别与高频驱动模块105、电流电压采样检测与反馈模块107、过压欠压保护检 测模块109和过流检测模块111相连接，电流电压采样检测与反馈模块107的另一端还与
9负载相连接，过压欠压保护检测模块109的另一端还与三相交流输入端相连接，高频驱动 模块105还与高频逆变模块102相连接，过流检测模块111的另一端与功率变压模块103 的初级相连。DSP控制器108还分别连接有人机交互系统110、温度检测模块106。其中，温 度检测模块106包括温度传感器、过热光耦、外围电路，其一端与散热器上的温度传感器相 连接，另一端与DSP控制器108的中断输入引脚相。人机交互系统110包括给定信号、输出 信号处理以及显示电路。 如图2所示，以主电路1为例，三相交流输入电源连接整流模块101的整流桥，然 后连接滤波器件k、 C5—8，再连接高频逆变模块102的逆变桥V1V4、 Cn—14、 R5—8，其中，R5—8在 实际电路中用零电阻线代替，Cn—14为外接的谐振电容。高频逆变模块102的输出连接功率 变压模块103的高频功率变压器T1初级，变压器次级通过高频全波整流电路D卜4、滤波环 节L2、 C9—1Q、 C15—16、 YIV2， R9后输出直流电，以上环节构成功率主电路。高频逆变模块102包 括TR1和TR2两个逆变桥臂(分别为超前桥臂和之后桥臂)，每个桥臂包含了两个单元的 IGBT。同时，过流检测模块111的传感器HI连接在功率变压模块103初级线圈上；电流电 压采样检测与反馈模块107为传感器H2与负载连接获得电流采样信号，电压信号直接从负 载两端取得。另一主电路2与此相同。 如图3、4所示，高频驱动模块105主要起到数模隔离以及功率放大作用，一个模块 中包括4个由光耦TLP250与外围电路构成的高频驱动单元。图3为其中一路驱动的电路 图，光耦输入EP丽3A接到DSP控制器108的P丽输出I/O 口，由DSP控制器108输出的四 路相位差可调、死区时间可调的P丽信号，通过高频驱动模块105的隔离和放大之后变成能 够驱动IGBT功率器件的四路两两互补的驱动信号，驱动单边主电路中的超前和滞后逆变 桥臂TR1、 TR2的四个IGBT开关器件VT「VT4，由DSP控制器108提供的P丽信号经过高频 驱动模块105隔离放大之后，转变为正半波最高幅值+15V，负半波最低幅值-15V的交流脉 冲信号，可以满足大功率IGBT可靠开启和关断的需要。通过控制超前臂和滞后臂的相位差 异，也即控制P丽的移相角，逆变主回路中的外接谐振电容、寄生电容和功率变压器的寄生 电感、漏感等构成了一个LC谐振回路，在功率开关器件开关过程中实现零电压谐振换流， 开关损耗低，器件的电磁应力大幅度降低。 如图4所示，DSP控制器主要由DSP TMS320F2808最小系统和串口电平转换芯片 MAX3232相互连接组成，另还有一 JTAG 口用于程序的下载烧录。DSP的ADCINAO ADCINA5 与电流电压检测模块连接，完成采样的模拟信号到数字信号的转换；GPI04 GPI011输 出8路P丽信号与高频驱动模块105连接；GPI012、 GPI013、 GPI016分别与变压器初级电 过流检测模块111流检测模块、过压欠压保护检测模块109、温度检测模块106连接。DSP TMS320F2808作为控制的核心，采样信号与给定信号在DSP内进行运算，确定P丽信号移 向的的大小，输出4路移向脉宽调制信号，从而控制电源的输出。DSP的1/0端口 GPI014/ SCITXDB、 GPI015/SCIRXDB分别与MAX3232的引脚DIN1和D0UT1相连接，用于与人机交互 系统IIO之间的通讯。 如图4、5(a)所示，电流电压采样检测与反馈模块107主要起到电流电压的采样反 馈作用，以实现闭环控制。电流采样检测与反馈电路中，在电源输出端采用了电流霍尔传感 器H2，P15与H2相连，当电流霍尔传感器采集端电流为IOOA时，传感器输出电流为100mA。 通过采用适当的电阻元件，使得当焊接电流从0-400A变化时，反馈电路处理后的信号变化范围是0-4V。再经过分压，滤波，限压等调整后得到信号CURRENT-FBK送给DSP，由DSP进 行运算。电压采样检测与反馈电路中直接对输出端电压进行取样，经过低通滤波去除信号 中的高频信号，再经过运放、光藕隔离，调理成0-5V的直流电压信号，最后再通过分压和限 压得到信号VOLTAGE-FBK，送给DSP。此外，调理出来的电流电压采样信号亦会送至人机交 互系统的ADC端口 ，由其进行A/D转换并于人机交互系统上显示实际焊接电流、电压的值。
如图4、5 (b)所示，P7与传感器H1连接，过流检测模块主要对功率变压模块103的 初级端的电流进行检测。当初级电流超过一定值时，产生过流信号，光耦导通，CURRENT-EXC 电平被拉低，DSP不需要经过程序即将P丽信号切断，切断过程由DSP硬件完成。DSP的1/ 0 口 GPI012/TZ1电平被拉低同时也会触发一个中断，在中断程序里，DSP可以进行进一步的 处理和动作。 如图4、5(c)所示，P18与温度传感器TH1相连接。温度检测模块的温度传感器安 装在IGBT模块所在散热器上，用以检测IGBT发热是否超过规定量。温度传感器是常闭开 关，若触发则断开，产生过热信号，使过热光藕导通，CURRENT-EXC电平被拉低，即DSP的I/O 口 GPI016/TZ5电平被拉低，此时DSP程序中可以根据此1/0判断是否产生过热信号，并进 行处理。 如图4、5(d)所示，过压欠压保护检测模块109主要起到在电网电压的波动时关断 P丽信号输出的作用。三相电路经变压器降压、整流成直流信号VFB，所以VFB正比例于电 网电压。当VFB过高于设定值或低于设定值时，两个比较器比较结果做相"与"运算，结果 为低电平"0"， VOLTAGE-EXC电平被拉高，即DSP的I/O 口 GPI013/TZ2电平被拉高，DSP关 断P丽信号输出，并进行故障处理。 如图6所示，人机交互系统110主要作用是用于参数给定的数字输入以及电源工 作过程中的各种参数的数字显示。LM3S818接收DSP控制器108发送的焊接开关命令，处理 键盘与编码器的操作，负责参数的选择与输入，并对电流电压采样检测与反馈模块107所 产生的焊接状态参数进行采样处理。对EPM240T100CPLD复杂可编程逻辑器件进行编程处 理后，LM3S818与CPLD之间通过SPI单方向通信，由ARM向CPLD发送显示指令，CPLD经过 编译后对数码管和LED作出控制，使显示与键盘操作相对应。 如图7所示，人机交互系统110控制系统采用了 MCU+CPLD的设计方式来对数字化 面板的输入输出设备进行控制。这样既可以利用MCU的控制和运算能力对面板的输入输出 操作进行程序控制，产生相应控制命令；又可以利用CPLD丰富的I/O引脚和可灵活编程的 特点，把MCU发送的命令转化为面板上数码管和相应LED的显示。LM3S818的GPIO Fl F5与CPLD EPM240T100的PA2 PA4引脚相连接，进行SPI通信，传输需显示的数据。正交 编码器的A、B引脚与CPLD的G3、G2脚相连接，对编码器的输入信号进行去毛剌处理，然后 将处理后的信号送入MCU的QEI接口 ，即CPLD的GO和Gl与LM3S818的PC6、 PC7相连，用 编码器来改变参数的值。CPLD同时控制着面板上所有的LED灯与2个数码管的显示，按键 则由ARM控制器控制。ARM控制器还与MAX232相连接，用于接受主控DSP的命令并向其传 输人机交互系统所设定的参数。 如图8所示为控制软件流程图，参数初始化后，DSP控制软件模块向人机交互系统 发送焊接开始信号，并接收获取焊接参数，同时根据此参数进行一元化调节，自动获取其它 相对应的焊接参数，开始引弧，引弧成功后进入正常焊接过程，在此过程中进行瞬时能量熔滴过渡波形控制。DSP首先控制主电路1进入强脉冲阶段，主电路2比主电路l滞后一定相 位进入强脉冲控制阶段，此相位可调。主电路1和主电路2分别进行强脉冲的峰值、基值交 替控制，直至强脉冲控制阶段结束。DSP控制主电路1进入弱脉冲控制阶段，主电路2比主 电路1依然滞后强脉冲阶段时的相位。主电路1和主电路2进行弱脉冲峰值、基值交替控 制，直至弱脉冲控制阶段结束。若焊枪没有松开，则继续进行强弱脉冲的交替瞬时能量熔滴 过渡波形控制，若焊枪松开，则同时进入到收弧阶段，收弧结束则焊机进入等待焊接命令状 态。 应用本发明的多功能数字化双丝软开关焊接电源时，人机交互系统110选择焊接 方式并设定参数，三相工频交流电经过滤波模块101后变成平滑直流电后进入高频逆变模 块102， DSP控制器108根据电流电压采样检测与反馈模块107检测到负载的电流、电压信 号与给定的参数进行比较，经过DSP控制器108的PI运算，产生四路两两互补的带死区的 移相P丽信号，这四路P丽信号通过高频驱动模块105放大后控制高频逆变模块102的开 关管在零电压下的开通和关断，实现软开关，从而得到25KHz高频高压电，高频高压电再经 过功率变压模块103转换成大电流低电压的交流脉冲电流，再经过整流模块104得到更加 平滑的直流脉冲电流。过流检测模块111检测功率变压模块103的初级电流，如出现过流 情况，则出发DSP的一个中断，关闭高频逆变模块102，保护主电路安全工作。过压欠压保护 检测模块109检测三相工频电压，如出现过压或者欠压现象，则触发DSP中断，关闭高频逆 变模块102。 本发明体现了轻便高速的特性。本实施例首次以高速的嵌入式数字信号处理器 DSP TMS320F2808为核心，充分利用DSP芯片在嵌入式控制方面的优越性能，采用模块化、 可移植的设计方法，通过软件编程实现电源输出特性控制、焊接控制波形、人机交互系统。 两个主电路的8路移相P丽信号都直接由DSP通过编程方式输出，最终实现弧焊电源的全 数字化控制。其次通过同一个控制核心实现了两个主电路的控制，两个主电路集中在同一 个电源中，与以往的双丝主从机结构有较大区别，通过对焊机结构的合理设计，使电源体积 减小30%以上。此外，主从机之间不再需要通信，使双丝双脉冲焊机具有更好的一致性、动 态响应性能和可扩展性。整体设计充分体现了轻便高速的特性。 本发明实现了高效节能。本实施例采用两根焊丝，通过高低频率脉冲的配合，实现 双脉冲双丝焊。在取得优良的焊接质量的同时，利用双丝焊技术可以获得更高的焊接效率。 此外，利用前期成果_软开关双丝弧焊技术，使能源利用率达到90%以上，在进一步提高双 丝双脉冲焊机的效率的同时有效减少能源消耗。 本发明控制精确。本实施例充分利用了 DSP嵌入式微处理器的高速运算和数据处 理能力，对焊接电弧的瞬时能量进行实时采集和分析，根据电弧状态实时自动控制焊接电 源的输出特性，以达到对焊接电弧瞬时能力优化输出和调节的目的。其次通过检测反馈输 出电流电压，对电弧变化进行快速响应，并及时调整输出能量，使控制更精确，以获得优质 的焊接质量。其次利用熔滴过渡波形控制方法进行了精确的波形控制。
本发明具有智能宜人的特征。本实施例内集成了双脉冲焊接工艺专家系统，能通 过一元化调节的方式，实现双脉冲参数的自动调节，有效解决了双脉冲焊接工艺参数过多 的问题，降低了操作难度，实现了系统智能化操作。其次，借助ARM控制核心，开发了专用的 人机交互系统，从而增强了系统的宜人性。
本发明可以实现产品的美观优质。本实施例通过对两根焊丝之间的相位控制，能 获得比一般的双脉冲焊接获得更为细致的鱼鳞纹，还可以通过调节双丝之间的相位差，从 而控制鱼鳞纹的间距，获得更为美观的外形。其次可以进一步双丝相位的配合，减少气孔发 生率、细化焊缝晶粒、降低裂纹敏感性，使焊缝质量更优良。 综上，本发明提供了一种适用于铝合金焊接的，具有系统稳定性好、焊接效率高、 调试方便、具有良好操作界面、使用简单、带有焊接专家系统的双丝双脉冲数字化软开关焊 接电源系统。 在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出 各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的 而非限制性的。
权利要求
一种铝合金双丝双脉冲焊接方法，其特征在于两个主电路分别产生一路双脉冲波形，双脉冲波形指在高频的基础上，再对高频电流波形进行低频调制，使单位脉冲的强度在强和弱之间低频周期性切换，得到周期性变化的强弱脉冲群，两路脉冲群通过相位配合实现铝合金的高效优质焊接，具体的方法包括如下步骤1)参数初始化后，DSP控制软件模块向人机交互系统发送焊接开始信号，接收获取焊接参数，同时根据此参数进行一元化调节，自动获取其它相对应的焊接参数。每路脉冲群的参数分别包括强脉冲峰值电流Ips和时间Tps、强脉冲基值电流Ibs和时间Tbs、弱脉冲峰值电流Ipw和时间Tpw、弱脉冲基值电流Ibw和时间Tbw、强脉冲时间Ts和弱脉冲时间Tw，其中pulsew表示弱脉冲群，pulses表示强脉冲群；2)引弧成功后进入正常焊接过程，在此过程中进行瞬时能量熔滴过渡波形控制。瞬时能量指电弧的瞬时电流和瞬时电压的乘积，系统通过检测并调整电源输出的瞬时电流、电压波形，控制熔滴的能量，以达到减小飞溅和控制熔滴大小一致均匀过渡的目的；3)DSP首先控制主电路1进入强脉冲阶段，主电路2比主电路1滞后一定相位进入强脉冲控制阶段，此相位关系a可调，通过调节相位关系控制焊缝外形；4)主电路1和主电路2分别进行强脉冲的峰值、基值交替控制，直至强脉冲控制阶段结束，DSP控制主电路1进入弱脉冲控制阶段，主电路2比主电路1依然滞后强脉冲阶段时的相位，主电路1和主电路2进行弱脉冲峰值、基值交替控制，直至弱脉冲控制阶段结束；5)若焊枪没有松开，则继续进行强弱脉冲的交替瞬时能量熔滴过渡波形控制，若焊枪松开，则进入到收弧阶段，收弧结束焊机进入等待焊接命令状态；6)系统如果没有接收到具体的焊接参数，那么焊机按照上次设定的参数进行工作。
2. 根据本发明所述的方法设计的一种铝合金双丝双脉冲焊接电源系统，其特征在于， 包括一体化的IGBT软开关主电路，DSP控制电路以及人机交互系统，其中，所述的IGBT软开 关主电路包括依次连接的整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块、整流平滑模块，其 中，DSP控制电路包括过压欠压保护检测模块、DSP控制器、电流电压采样检测与反馈模块、 高频驱动模块、过流检测模块、温度检测模块以及一 JTAG 口，同时，所述的DSP控制器中设 有DSP控制软件模块，所述的DSP控制软件模块包括专家系统，DSP控制软件模块用于对电 源系统进行具体控制，进一步，所述的电源系统具体由一个DSP控制电路控制两个IGBT软 开关主电路。
3. 根据权利要求2所述的一种铝合金双丝双脉冲焊接电源系统，其特征在于，所述的 整流滤波模块的输入与三相交流电相连，整流滤波模块的输出连接高频逆变模块，高频逆 变模块的输出连接功率变压模块，连接功率变压模块的输出连接整流平滑模块，整流平滑 模块的输出与负载相连。
4. 根据权利要求2所述的一种铝合金双丝双脉冲焊接电源系统，其特征在于，所述的 温度检测模块包括温度传感器、过热光耦、外围电路，温度检测模块的一端与散热器相连 接，另一端与DSP控制器的中断输入引脚相连。
5. 根据权利要求2所述的一种铝合金双丝双脉冲焊接电源系统，其特征在于，所述的 DSP控制器分别与高频驱动模块、电流电压采样检测与反馈模块、过压欠压保护检测模块、 温度检测模块和过流检测模块相连接，同时，DSP控制器与人机交互系统相连接，电流电压 采样检测与反馈模块与人机交互系统相连接，所述的过流检测模块的另一端与功率变压模块的初级相连，所述电流电压采样检测与反馈模块的另一端与负载相连接，所述的过压欠 压保护检测模块的另一端与三相交流输入端相连接，所述的高频驱动模块与高频逆变模块 相连接。
6. 根据权利要求2所述的一种铝合金双丝双脉冲焊接电源系统，其特征在于，所述的 过流检测模块的传感器连接在功率变压模块初级线圈上，传感器与负载连接获得电流采样 信号，电压信号直接从负载两端取得。
7. 根据权利要求2所述的一种铝合金双丝双脉冲焊接电源系统，其特征在于，所述的 高频驱动模块包括4个由光耦TLP250与外围电路构成的高频驱动单元，其中每个光耦的输 入都与DSP控制器的输出相连。
8. 根据权利要求2所述的一种铝合金双丝双脉冲焊接电源系统，其特征在于，所述的 人机交互系统以一块LM3S818作为控制核心，用RS232串行总线和GPIO脚与DSP控制电路 通信，包括电源及通讯接口模块、数字编码器输入模块、显示及按键模块、主控模块，其中主 控模块包括ARM和CPLD，进一步，所述的LM3S818与CPLD之间通过SPI单方向通信，并由 ARM向CPLD发送指令。
9. 根据权利要求2所述的一种铝合金双丝双脉冲焊接电源系统，其特征在于，所述的 人机交互系统包括一人机交互控制系统。
10. 根据权利要求9所述的一种铝合金双丝双脉冲焊接电源系统，其特征在于，所述的 人机交互系统控制系统采用MCU+CPLD的方式控制人机交互系统。
全文摘要
本发明公开了一种铝合金双丝双脉冲焊接方法及其焊接电源，具体方法为脉冲波形在高频的基础上进行低频调制，得到周期性变化的强弱脉冲群，通过两路脉冲群的相位配合实现铝合金的高效优质焊接。焊接电源包括一体化的IGBT软开关主电路、DSP控制电路以及人机交互系统。本发明首次提出在双丝焊机上实现双脉冲铝合金焊接，实现了全数字化控制，利用软件模块直接产生8路PWM信号，控制两个主电路，减少了通信所带来的控制上的问题。同时通过将两个主电路集中于同一焊机中，使整体结构比主从式焊机大为减小，此外还采用了瞬时能量控制等方法实现双脉冲的精细控制。
文档编号B23K9/09GK101791733SQ20091019356
公开日2010年8月4日 申请日期2009年10月31日 优先权日2009年10月31日
发明者姚屏, 蒙万俊, 薛家祥, 魏仲华 申请人:华南理工大学