专利名称：一种交流电弧焊接系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种交流输入电弧焊接系统，属于焊接设备及自动化领域。
背景技术：
低能量输入电弧焊接是一种针对于薄板的焊接方法，尚处于起步阶段。目前主要有两种焊接方法， 一种叫做冷金属过渡焊接(CMT)，另一种叫做冷电弧焊接，这两种焊接方法都采用短路过渡的熔滴过渡方式，但是其工艺特点大不相同。对于第一种形式，采用推拉丝的送丝方式，使用专门设计的送丝系统，送丝机在很高的频率下完成正反转动作，在焊接过程中监测到短路信号，反馈给送丝机，送丝机做出回应回抽焊丝，从而使焊丝和熔滴分离，降低了能量输入。而第二种形式，采用连续向前的送丝方式，使用普通的送丝系统配合短路过渡的波形控制技术，使用含有特定成分的焊丝，达到降低焊接能量输入的效果。然而不论哪种工艺形式，都有较大的不足CMT法仍然采用直流反接方式工作，虽然在短路阶段降低了能量，但是由于短路能量本身很小，所以对母材热输入的降低有限，仅略低于传统的表面张力过渡法(STT);冷电弧焊接法采用特制的焊丝不易于推广，而且同样采用直流反接的工作方式，无法有效的降低能量。北京工业大学前期采用过推拉丝方式实现低能量焊接，采用不同方式实现了和CMT类似的功能，但电源同样采用直流反接的形式，在燃弧期很大一部分的热量用于加热母材，因此仍有很大的能量降低空间。
实用新型内容基于现有低能量输入电弧焊接方法的不足，本实用新型提出了一种新型交流输入
电弧焊接系统，本系统采用推拉丝的送丝方式，同时焊接电源在短路/燃弧的不同阶段采
用不同的输出极性。熔滴短路过渡在焊丝回抽拉力作用下完成，可采用较小的短路电流，另
外燃弧初期采用直流正接，使电弧的能量更多的分配给焊丝，对母材热输入量进一步降低。 本实用新型所提出的低能量电弧焊接系统由焊接电源系统和送丝系统两部分构成。 焊接电源系统包括直接为焊接提供功率输出的主电路部分1和用于调节主电路部分l输出功率的控制电路部分2。控制电路部分2包括DSP系统A、一次逆变驱动及保护电路B、外围设备控制及执行部分C、人机交互界面D、送丝系统控制接口电路E、二次逆变驱动及保护电路F。其中 DSP系统A与部分B 部分F相连，接收主电路部分的电流、电压信号，输出控制信号。 一次、二次逆变驱动及保护电路B和F，接收DSP控制器的信号，进行隔离放大后驱动一次及二次逆变部分IGBT的通断。外围设备控制及执行部分C包括焊枪开关Cl、气阀C2。Cl和C2均与DSP系统A相连，Cl给A提供焊接开关信号，C2接收A的指令给焊接过程提供保护气。人机交互界面D实现焊接参数的显示和焊接参数的预置。送丝系统控制接口电路E与送丝系统3相连。 送丝系统采用交流伺服电机做送丝机，通过控制电路部分2中的送丝系统控制接口电路E接受DSP系统A发出的信号。 本实用新型所提出的低能量电弧焊接系统的控制方法如下所述本方法中，送丝 系统做高频往复送丝，熔滴过渡是在焊丝回抽拉力和电磁收縮力共同作用下完成的。焊接 电源控制器根据焊接电压反馈信号判断焊接过程处于短路还是燃弧阶段，在不同阶段采用 不同极性的电流值。具体步骤如下 1)根据实际要求，确定焊接参数包括送丝速度V、短路初期电流Idc、短路初期时
间Tdc，正极性电流Ien、正极性峰值时间T即、负极性峰值电流Ibp、负极性峰值时间Tbp、负
极性基值电流Ibb，通过人机交互界面D将以上焊接参数输入DSP系统A。 2)DSP系统A检测焊枪开关C2是否打开，是则通过送丝系统控制接口电路E启动
送丝系统3， DSP系统A通过接收到的焊接电压反馈信号判断焊接过程处于短路还是燃弧阶段。 短路阶段，首先送丝系统3控制电机使焊丝前进，DSP系统A发出控制信号经二次 逆变驱动及保护电路F后，驱动二次逆变部分1.7使电源输出反极性，即工件为阴极焊丝为 阳极，同时DSP系统A经一次逆变驱动及保护电路B控制一次逆变部分1. 3，使电源输出短 路初期电流Idc，并保持作用时间Tdc ;然后，DSP系统A发出控制信号，经部分F驱动二次 逆变部分1. 7使电源输出正极性，即工件为阳极焊丝为阴极，并通过一次逆变部分1. 3给出 正极性电流Ien，送丝系统3控制电机使焊丝回抽，在焊丝回抽拉力作用下，完成熔滴短路 过渡，并保证电弧顺利再引燃。 燃弧阶段，当DSP系统A通过功率输出部分1. 8的反馈电压检测到燃弧信号后，即 进入燃弧阶段，此时焊丝继续保持回抽，电源输出正极性保持不变，工件仍为阳极焊丝仍为 阴极。当正极性峰值时间T即到以后，DSP系统A输出控制信号，经部分F驱动二次逆变部 分1.7，使电源输出反极性，即工件为阴极焊丝为阳极，同时DSP系统A经部分B控制一次 逆变部分1. 3，使电源输出负极性峰值电流Ibp。负极性峰值电流Ibp作用时间Tbp后，DSP 系统A经部分B控制一次逆变部分1. 3，使电源输出负极性基值电流Ibb，送丝系统3控制 电机使焊丝前进。所述的送丝速度V的取值范围为3 7m/min，短路初期电流Idc —般取值为3
100A，短路初期电流作用时间Tdc为0. 5 5ms，正极性电流Ien取值为20 150A，正极性
峰值时间T即取值为0 5ms，负极性峰值电流Ibp取值范围为120 300A、负极性峰值时
间Tbp的取值范围0. 1 3ms，负极性基值电流Ibb的取值范围为10 50A。 整个焊接过程由焊丝的前进回抽配合不同的多段电流组成，通过合理的参数配
合，可实现稳定的焊接过程。 与现有技术相比，本实用新型采用的控制方法及电弧焊接系统具有以下优点 1)焊接过程能量输入低、过程稳定可靠。本实用新型方法将交流焊接电源与推拉 送丝系统配合起来；短路阶段变换电源输出极性，易于实现交流换向，同时利用焊丝回抽拉 力的作用保证在小电流状态下完成短路过渡；燃弧前期采用直流正接，后期采用反接，即可 以合理分配电弧能量在焊丝与工件间的分配比例，进一步降低对工件的热输入，又容易实 现弧长调节，保证电弧的稳定性； 2)送丝系统采用交流伺服电机做送丝机，具有极高的动态响应性能，送丝过程精 确可控；
4[0018] 3)应用范围广可以应用于表面堆焊、超薄板及镀锌钢板焊接，有效防止焊件烧 穿及镀锌保护层的挥发，具有广泛的应用前景。
图1焊接系统结构组成图 图2主程序软件方案图 图3焊接程序框图 图4电流波形图
具体实施方式现在将结合附图对本实施例进行说明。(实施例针对lmm厚的3A21铝合金板进行 对接焊缝的焊接) 本实用新型的一个具体实例低能量输入电弧焊接系统结构组成如图1所示，总体 上包括两部分焊接系统和送丝系统。 焊接系统包括主电路部分1和以TMS320F2812DSP为核心的控制电路部分2。主 电路输入电压为三相380V ;输入整流1. 1采用富士整流桥整流，型号为FUJ 6RI100G-160 ; 一次逆变电路1. 3采用半桥逆变结构，由两只型号为BSM150GB120DN2的IGBT组成；中频 变压器1. 4采用超微晶磁芯，变压比为15 : 2 ;二次滤波1. 6采用磁芯饱和电感，电感量约 30 ii H ;二次逆变电路1. 7采用半桥逆变结构，由两只型号为BSM150GB120DN2的IGBT组成。 控制电路部分2采用基于TMS320F2812DSP的控制系统，主要完成参数计算、比例积分调节、 时序控制，并能够与送丝系统3实现通信。下面将结合附图对其进行详细说明。 其工作顺序为输入三相380V交流电经过整流部分1. 1整流和一次滤波1. 2滤波 后，变为540V的直流电，然后经过一次逆变电路1. 3(此由控制电路部分2控制)逆变和中 频变压器1. 4降压隔离后变为20KHz的交流电，再经过输出整流器1. 5和二次滤波1. 6滤 波后变为焊接所用的大电流低电压直流电。然后根据控制需要，二次逆变部分1. 7切换该 直流电输出的极性，最终由焊接功率输出1.8输出。由于以上电路的工作频率为20KHz，同 时输出电感也很小(30 ii H左右)，调整逆变开关频率或脉宽可以达到微秒级的控制，所以 该类型电源反应速度快，动态性能好。 焊接系统控制电路部分2的组成及功能分别为 DSP系统A主要由TMS320F2812DSP组成，包括三个输入部分。第一个输入部分是 从焊接功率输出1.8输出的电流、电压值，其中电流经由PI控制(比例积分控制)，实时调 整电流偏差，实现闭环控制；电压值用于监控焊接状态。第二个输入部分是从部分C获得的 焊枪开关信号Cl。第三个输入部分来源于人机交互界面D的焊接参数预置，获得焊接初始 参数。部分A作为核心控制部分，主要完成对焊接参数输入和外部信号的响应，并经过软件 处理、计算和转换后对B、 C、 D、 E四部分进行控制，使整个焊接系统协调工作，完成预定的焊 接目的。 送丝系统3采用交流伺服电机做送丝机，通过控制电路部分2中的送丝系统控制 接口电路接受DSP系统A发出的信号。 本实用新型的程序控制分两部分焊丝运动(即送丝电机转动轨迹)程序控制和焊接过程DSP系统程序控制，下面分别进行详细说明。
焊丝运动(即送丝电机转动轨迹)程序控制 根据焊接实际要求确定焊接参数，根据焊接参数中的送丝速度V确定送丝频率 F (焊丝每秒的前进与回抽次数， 一前一回算作一次)和送丝步长d (每次焊丝前进与回抽距 离之差)。送丝系统控制接口电路E接收DSP系统A的信号，控制送丝电机按预定步长做前 进回抽运动。 焊接过程DSP系统程序控制，参照程序流程图对本实例进行详细说明 图2是DSP控制低能量逆变电弧焊接电源主程序软件方案图。软件主程序包括初 始化子程序、参数预置及显示子程序、延时子程序、计算子程序和焊接子程序。其主程序具 体执行顺序为上电复位后，程序从初始地址开始运行，系统先执行初始化子程序，完成各 焊接参数的初始值设定。然后执行参数预置子程序，预置送丝速度V为3. 5m/min、短路初期 电流Idc为20A、短路初期时间Tdc为2ms、正极性电流Ien为70A、正极性峰值时间T即为 lms、负极性峰值电流Ibp为80A、负极性峰值时间Tbp为0. 5ms、负极性基值电流Ibb为20A 等焊接参数用于焊接过程控制，预置焊接参数用于焊接过程控制，然后经显示子程序把相 关的参数设定显示。然后判断焊接开关是否打开，是则打开脉宽调制(即可以输出能量)、 启动电机，判断引弧是否成功，如果引弧成功则进入焊接程序，直到检测到焊接结束信号， 关闭脉宽调制、关闭电机，退出焊接状态。如没有焊接开始信号则延时一定时间(如20ms) 后再次循环执行前面程序。本实用新型的控制方法主要体现在送丝过程与焊机电流波形的 控制过程中。 图3、图4所示为焊接程序框图与电流波形示意图，主要进行状态判断、时序控制 以及根据不同时序输出不同的电流参数。其过程为 首先焊丝前进根据反馈电压判断是否发生短路。如果发生短路，DSP系统A发出控 制信号经二次逆变驱动及保护电路F后，驱动二次逆变部分1.7使电源输出反极性，即工件 为阴极焊丝为阳极，同时DSP系统A经一次逆变驱动及保护电路B控制一次逆变部分1. 3， 使电源输出短路初期电流Idc，并持续作用时间Tdc ;然后，DSP系统A发出控制信号，经部 分F驱动二次逆变部分1.7使电源输出正极性，即工件为阳极焊丝为阴极，并通过一次逆变 部分1. 3给出正极性电流Ien，送丝系统3控制电机使焊丝回抽，在焊丝回抽拉力作用下，完 成熔滴短路过渡。 然后根据反馈电压判断是否发生燃弧，是则进入燃弧阶段，此时焊丝继续保持回
抽，电源输出正极性保持不变，工件仍为阳极焊丝仍为阴极。当正极性峰值时间Tap到以
后，DSP系统A输出控制信号，经部分F驱动二次逆变部分1. 7，使电源输出反极性，即工件
为阴极焊丝为阳极，同时DSP系统A经部分B控制一次逆变部分1. 3，使电源输出负极性峰
值电流Ibp。负极性峰值电流Ibp作用时间Tbp后，DSP系统A经部分B控制一次逆变部分
1. 3，使电源输出负极性基值电流Ibb，送丝系统3控制电机使焊丝前进。 整个过程是根据反馈电压判断焊接状态，并结合焊丝的运动情况，给出相应的电
源极性及电流值，将焊接参数和焊丝运动情况很好的结合了起来，实现了低能量焊接。 以上所述为本系统及其控制方法的一个实例，我们还可对其进行一些变换。比
如主电路部分可以采用全桥逆变电路代替半桥形式，控制部分用其他DSP或单片机代替
TMS320F2812实现其功能，送丝电机及送丝曲线略做调整等。只要其系统及控制思想与本实用新型所叙述的一致，均应视为本实用新型的范围。
权利要求一种交流电弧焊接系统，包括焊接电源系统和送丝系统，所述的焊接电源系统包括直接为焊接提供功率输出的主电路部分(1)和用于调节主电路部分(1)输出功率的控制电路部分(2)；所述的主电路部分(1)包括依次连接的输入整流(1.1)、一次滤波(1.2)、一次逆变(1.3)、中频变压器(1.4)、输出整流器(1.5)、二次滤波(1.6)、二次逆变(1.7)和焊接功率输出(1.8)；所述的控制电路部分(2)包括DSP系统(A)、与主电路部分的一次逆变(1.3)相连的一次逆变驱动及保护电路(B)、外围设备控制及执行部分(C)、人机交互界面(D)和送丝系统控制接口电路(E)；其特征在于所述的控制电路部分还包括与主电路部分中的二次逆变相连接的二次逆变驱动及保护电路(F)；DSP系统(A)与主电路部分的焊接功率输出(1.8)相连，接收焊接功率输出(1.8)的电压信号；DSP系统(A)分别与一次逆变驱动及保护电路(B)和二次逆变驱动及保护电路(F)相连，一次逆变驱动及保护电路(B)和二次逆变驱动及保护电路(F)接收DSP系统的信号，进行隔离放大后分别驱动一次逆变(1.3)和二次逆变(1.7)中的IGBT的通断；DSP系统(A)与人机交互界面(D)相连，人机交互界面(D)实现焊接参数的显示和焊接参数的预置；所述的外围设备控制及执行部分(C)包括焊枪开关(C1)和气阀(C2)，焊枪开关(C1)和气阀(C2)均与DSP系统相连，焊枪开关(C1)给DSP系统(A)提供焊接开关信号，气阀(C2)接收DSP系统(A)的指令给焊接过程提供保护气；所述的送丝系统采用交流伺服电机做送丝机；DSP系统通过送丝系统控制接口电路(E)与送丝系统(3)相连；通过送丝系统控制接口电路接受DSP系统(A)发出的信号。
2. 根据权利要求1所述的一种交流电弧焊接系统，其特征在于所述的送丝系统采用 推拉送丝方式，所述的焊接电源采用交流电源。
专利摘要本实用新型涉及一种交流输入电弧焊接系统，属于焊接设备及自动化领域。本系统采用推拉丝的送丝方式，电源采用交流输出的方式，具体包括焊接电源系统和送丝系统。焊接电源系统主要包括直接为焊接提供功率输出的主电路部分(1)和控制主电路输出功率的控制电路部分(2)。送丝系统采用交流伺服电机做送丝机，通过送丝系统控制接口电路(E)接收DSP系统(A)发出的信号。送丝电机做往复运动实现推拉送丝，同时焊接电源根据反馈电压判断焊接处于短路/燃弧状态，改变电源的输出极性。熔滴短路过渡在焊丝回抽拉力作用下完成，采用较小的短路电流，另外燃弧初期采用直流正接，电弧的能量更多地分配给焊丝，对母材热输入量大大降低。
文档编号B23K9/00GK201493592SQ200920106649
公开日2010年6月2日 申请日期2009年4月1日 优先权日2009年4月1日
发明者卢振洋, 高文宁, 黄鹏飞 申请人:北京工业大学