熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔TIG焊接系统及其焊接方法与流程

本发明涉及焊接设备技术领域，更具体地说，涉及一种熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔tig焊接系统及其焊接方法。

背景技术：

钨极气体保护电弧焊(tungsteninertgasarcwelding,tig)电弧稳定，可见性好，无飞溅，焊接质量稳定可靠，适应性强，广泛应用于航天航空、船舶制造、核工业以及汽车制造等行业。焊接材料包括钢、不锈钢、铝、铝合金、钛合金等多种金属；但tig焊存在熔深不足、焊接速度慢、焊接效率低等缺点，在中厚板自动化焊接领域存在局限性。

深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接(keyholetungsteninertgas,k-tig)，是一种大电流tig焊接技术，它靠大电流形成的电弧压力与液体金属重力、表面张力保持熔池的动态平衡，形成几何形态稳定的小孔，可实现中厚板的单面焊双面成形，无须开坡口和背面清理，大大提高了焊接效率。目前，深熔锁孔tig焊普遍采用直流或低频脉冲的方式实现大电流锁孔，其热输入偏大，易引发焊缝晶粒组织粗化、机械性能难达标以及工件易变形等现象；此外，大电流锁孔还提高了对焊枪散热条件的要求。

采用快频脉冲可降低锁孔平均电流，并在穿孔锁孔过程熔池受力处于平衡状态下同步实现熔化金属的震荡，通过打断晶粒生长、破碎已有晶粒组织和形成异质形核点的方式，有效解决目前深熔锁孔tig焊接面临的因热输入过大引发的晶粒粗化问题。因此，采用快频脉冲电源替代直流或低频单脉冲电源来实现深熔锁孔tig焊接将是一种理想解决方案，但目前国内外对锁孔tig焊的研究大多基于直流或低频单脉冲波形，尚无将快频脉冲波形应用于深熔tig焊接领域的报道。为此，亟需开发一套熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔tig焊接系统和方法。

技术实现要素：

为克服现有技术中的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔tig焊接系统及其焊接方法。本发明采用快频脉冲电流实现稳定锁孔焊接以及熔池的同步平衡震荡，可压缩电弧，提升电弧力，解决大电流锁孔焊接因热输入过大导致晶粒粗化的问题。

为达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔tig焊接系统，其特征在于：包括工业机器人、快频脉冲焊接电源、主控制系统、人机交互系统、焊炬高度调节装置、气体装置、送丝装置、焊枪以及水冷装置；所述工业机器人、快频脉冲焊接电源、人机交互系统、焊炬高度调节装置、气体装置、送丝装置和水冷装置分别与主控制系统信号连接；所述焊枪分别与快频脉冲焊接电源、焊炬高度调节装置、水冷装置和气体装置连接；

所述快频脉冲焊接电源包括功率模块和功能模块；所述功率模块包括用于提供低频脉冲电流的主功率模块和用于提供基值电流的至少一组从功率模块；所述功能模块包括用于对所述主功率模块提供的低频脉冲电流进行斩波调制高频斩波调制模块，以及高频高压引弧模块；所述主功率模块、高频斩波调制模块和高频高压引弧模块依次连接；从功率模块并联在高频斩波调制模块的输出端。

优选地，所述主功率模块包括依次连接的输入整流滤波电路、高频逆变电路、高频变压器以及输出整流滤波电路；其中，输入整流滤波电路与三相电连接；输出整流滤波电路与高频斩波调制模块连接。

优选地，所述从功率模块与主功率模块在拓扑结构上完全相同。

优选地，所述高频斩波调制模块包括并联功率开关管q9、串联功率开关管q10以及防反灌二极管vd3；所述并联功率开关管q9并联在主功率模块输出端正极与负极之间；主功率模块输出端正极依次与串联功率开关管q10和防反灌二极管vd3串联；工作时，并联功率开关管q9和串联功率开关管q10交替导通。

优选地，所述并联功率开关管q9和串联功率开关管q10均采用si基mosfet功率开关管、si基igbt功率开关管、sic型mosfet功率开关管、sic型igbt功率开关管和gan型功率开关管中的任一种。

优选地，所述主控制系统包括核心控制模块，以及分别与核心控制模块信号连接的电源驱动模块、锁孔特征量采样模块和开关控制模块；

所述电源驱动模块分别与主功率模块、从功率模块和高频斩波调制模块连接；所述锁孔特征量采样模块分别与主功率模块和从功率模块连接；所述开关控制模块分别与高频高压引弧模块和水冷装置连接。

优选地，所述电源驱动模块包括高频逆变驱动子模块和高频斩波驱动子模块；高频逆变驱动子模块分别与主功率模块和从功率模块连接；高频斩波驱动子模块与高频斩波调制模块连接。

优选地，所述锁孔特征量采样模块包括用于分别采集主功率模块和从功率模块电流信号的电流采集子模块，以及用于分别采集主功率模块和从功率模块的电弧电压信号的电压采集子模块。

一种上述熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔tig焊接系统的焊接方法，其特征在于：包括如下步骤：

s1、根据工件和丝材的特性，在人机交互系统选择相应的快频脉冲深熔锁孔tig焊接工艺参数并发送到主控制系统，生成焊接流程控制时序；

s2、工业机器人控制焊枪进行移动使钨极对准焊接起始点；主控制系统控制开启水冷装置和气体装置，为焊枪提供水冷循环，提前为焊接过程送保护气；

s3、主控制系统按照焊接流程时序，控制快频脉冲焊接电源、工业机器人、送丝装置、焊炬高度调节装置和气体装置协调完成快频脉冲深熔锁孔tig焊接成形过程；

s4、熄弧后，水冷装置和气体装置延后一定时间关闭，焊接过程结束。

优选地，所述步骤s3包括依次执行的起弧阶段、电流上升阶段、大电流阶段、快频脉冲锁孔阶段以及收弧阶段；

所述引弧阶段，开启高频高压引弧模块，输出高频高压信号直至激发电弧；

所述电流上升阶段，主功率模块和从功率模块输出直流电流，高频斩波调制模块使主功率模块输出回路导通，从功率模块输出电流逐渐增大，直至达到预设的大电流；

所述大电流阶段，维持大电流不变，直至检测到熔池穿透焊件形成小孔；

所述快频脉冲锁孔阶段，从功率模块输出基值电流，主功率模块输出低频脉冲电流，由高频斩波调制模块对低频脉冲电流进行斩波，完成高频脉冲电流叠加，实现快频脉冲深熔锁孔焊接并在锁孔过程同步进行熔池的平衡震荡；

所述收弧阶段，从功率模块输出电流逐渐减小，直至达到熄弧电流。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：

1、本发明采用模块式结构、高性能、大功率的快频脉冲焊接电源，可在满足总输出功率的情况下，降低单个功率模块的功率要求，提高单个功率模块开关频率，减小磁性元件体积，提高电源的动态调节性能；各功率模块由同一主控制系统分配独立的电流环，保证功率模块间电流精细化控制的一致性，实现锁孔过程电弧能量动态优化配置，从根本上解决了多模块并联大电流紊乱和波形失真问题，保证锁孔焊接过程的熔池平衡震荡的有效性；

2、本发明可采用较小的快频脉冲电流实现稳定锁孔焊接以及熔池的同步平衡震荡；采用快频脉冲可以压缩电弧，提升电弧力，一方面可以减少熔池穿孔熔化金属的体积和重量，更易于克服中厚板深熔锁孔焊接过程熔化金属重力对穿孔和锁孔稳定性的不利影响，另一方面，通过调整脉冲波形即可优化锁孔电流的热输入；此外，在锁孔平衡状态下，叠加的快频脉冲电流可以实现熔化金属的平衡震荡，搅拌熔化金属，从而破碎结晶组织、打断晶粒粗化生长过程以及促进异质点形核，达到细化晶粒及改善焊缝组织性能的效果；

3、本发明采用快频脉冲电流进行锁孔焊接，可在较小的平均电流下获得稳定的锁孔效果；目前的直流或者低频脉冲直流锁孔深熔焊接需要在大电流下才能形成稳定锁孔，需要专门的强制水冷焊枪，结构复杂，体积大，笨重，对操作机构的负载能力以及现场应用条件提出了更高要求；而本发明只需要通用的tig焊枪就可实现稳定锁孔，轻便小巧，现场工况的适应性更好，还可以为用户节约大量运行成本；

4、本发明可实现整个焊接系统的数字化协同，同时集成了锁孔稳定性控制功能，通过对焊炬高度、气流量以及电流参数进行调节控制，可确保在熔池波动、工件不平整、焊枪抖动等非理想情况下实现深熔焊接过程的稳定锁孔。

附图说明

图1是本发明熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔tig焊接系统的结构示意图；

图2是本发明熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔tig焊接系统中快频脉冲焊接电源的结构示意图；

图3是本发明熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔tig焊接系统中主控制系统的结构示意图；

图4是本发明熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔tig焊接系统的焊接方法中快频脉冲焊接电源的电流输出示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例

如图1至图3所示，一种熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔tig焊接系统，包括工业机器人、快频脉冲焊接电源、主控制系统、人机交互系统、焊炬高度调节装置、气体装置、送丝装置、焊枪以及水冷装置；工业机器人、快频脉冲焊接电源、人机交互系统、焊炬高度调节装置、气体装置、送丝装置和水冷装置分别与主控制系统信号连接；焊枪分别与快频脉冲焊接电源、焊炬高度调节装置、水冷装置和气体装置连接。

工业机器人在焊接全程通过现场总线和主控制系统进行交互，发送和接收相关起止信号，并按给定速度和路径移动工件；

快频脉冲焊接电源受主控制系统控制进行功率变换，用于提供快频脉冲深熔锁孔tig焊接过程所需的能量；

主控制系统负责流程控制、工艺参数接收、特征量采样、pwm输出、锁孔稳定性调节以及相关接口控制功能；在焊接过程中对快频脉冲焊接电源、送丝装置、焊炬高度调节装置、气体装置和水冷装置进行实时控制；

人机交互系统用于设定快频脉冲深熔锁孔tig焊接的基本工艺参数，并在焊接过程中显示送丝装置、焊炬高度调节装置和气体装置的实时状态；

焊炬高度调节装置用于按照给定调节量调节焊炬高度，从而改变电弧长度，进而保证电弧压力满足稳定锁孔的需求；

气体装置用于控制保护气气路通断，实时调节气流量大小，改变电弧吹力以维持锁孔稳定；

送丝装置用于按照给定送丝速度填充丝材；

焊枪用于完成能量转换，为金属熔化及锁孔效应形成提供能源和动力；焊枪可采用通用的tig焊枪；

水冷装置用于为焊枪提供冷却作用。

快频脉冲焊接电源包括功率模块和功能模块；功率模块采用主从模块式结构，包括用于提供低频脉冲电流的主功率模块和用于提供基值电流的至少一组从功率模块；功能模块包括高频斩波调制模块和高频高压引弧模块；主功率模块、高频斩波调制模块和高频高压引弧模块依次连接；从功率模块并联在高频斩波调制模块的输出端。

实际应用中可根据输出功率要求调整从功率模块组数；本实施例采用一组从功率模块为例进行说明。

主功率模块包括依次连接的输入整流滤波电路、高频逆变电路、高频变压器以及输出整流滤波电路；其中，输入整流滤波电路与三相电连接；输出整流滤波电路与高频斩波调制模块连接。

输入整流滤波电路包括整流滤波模块br1和电容c9；高频逆变电路包括sic基igbt功能开关管q1～q4、电阻r1～r4、电容c1～c4和电容cb1；高频变压器为高频变压器t1；输出整流滤波电路包括整流二极管vd1、vd2和滤波电抗l1。其工作原理是：输入整流滤波电路将380v三相电转换为母线直流电；高频逆变电路将母线直流电转换为高频变压器初级上的交流方波；该交流方波的频率可达200khz，通过控制sic基igbt功能开关管导通占空比可以实现恒流特性调节，高频变压器将方波能量耦合到次级；输出整流滤波电路将通过整流二极管和滤波电抗将交流电转换为平滑的直流电。

从功率模块与主功率模块在拓扑结构上完全相同。

其中，单个功率模块最大可输出650a直流电流，主功率模块输出低频脉冲电流，是高频斩波调制的对象以及熔池平衡震荡的能量来源；从功率模块输出基值电流，是穿孔锁孔平衡的能量来源。

高频斩波调制模块包括并联功率开关管q9、串联功率开关管q10以及防反灌二极管vd3；并联功率开关管q9并联在主功率模块输出端正极与负极之间；主功率模块输出端正极依次与串联功率开关管q10和防反灌二极管vd3串联；工作时，并联功率开关管q9和串联功率开关管q10交替导通，将主功率模块输出的直流电进行斩波调制，转换为高频脉冲，并和从功率模块的直流输出进行叠加。具体地说，当串联功率开关管q10导通且并联功率开关管q9关断时，高频斩波调制模块将主功率模块输出的能量传输至输出端；当串联功率开关管q10关断且并联功率开关管q9导通时，高频斩波调制模块将阻断主功率模块输出的能量。并联功率开关管q9和串联功率开关管q10以一定的频率(可高于20khz)交替导通，即可实现高频斩波调制功能，输出可高于20khz甚至100khz以上的高频脉冲。其中防反灌二极管vd3用于防止从功率模块输出的电流反灌到回路内。

并联功率开关管q9和串联功率开关管q10均采用si基mosfet功率开关管、si基igbt功率开关管、sic型mosfet功率开关管、sic型igbt功率开关管和gan型功率开关管中的任一种。

高频斩波调制模块用于对主功率模块提供的低频脉冲电流进行斩波调制，完成幅值、频率及占空比均可调的高频脉冲电流叠加，实现锁孔焊接熔池平衡震荡；

高频高压引弧模块用于击穿钨极和工件之间的气隙以建立电弧；可采用现有技术，在空载时通过高频高压脉冲击穿气隙产生电弧。

本发明中的快频脉冲焊接电源功率部分采用模块式结构，可在总输出功率达标的情况下，降低单个模块的功率要求，从而减小电感、变压器等磁性元件的体积，提高动态调节性能，满足更大的控制带宽，使得后级经斩波调制的高频脉冲不出现紊乱失真的现象，保证锁孔焊接过程的熔池平衡震荡的有效性。

主控制系统包括核心控制模块，以及分别与核心控制模块信号连接的电源驱动模块、锁孔特征量采样模块和开关控制模块。

核心控制模块包括dsc控制芯片，既可以是arm控制芯片，也可以是dsp控制芯片，或者mcu控制芯片；一种优选的方案是采用arm控制芯片；其中使用到的arm片上外设包括：通用输入输出口gpio，脉宽调制信号通道pwm1、pwm2和pwm3，控制器局域网络收发器can，通用异步收发器uart以及模数转换器adc1、adc2和adc3。核心控制模块通过uart接收人机交互系统发送的工艺参数；通过can发送焊炬高度调节量和气流量调节量以及向工业机器人发送运动控制信号。

核心控制模块用于控制焊接流程、接收工艺参数、产生pwm信号以及产生锁孔稳定性控制信号；核心控制模块产生的锁孔稳定性控制信号包括电流波形调节信号、焊炬高度调节信号以及气流量调节信号。

电源驱动模块包括高频逆变驱动子模块和高频斩波驱动子模块；高频逆变驱动子模块前级连接pwm1接口和pwm2接口，后级连接并驱动主功率模块和从功率模块，以极高的频率(可高达200khz)精细调节输出功率；高频斩波驱动子模块前级连接pwm3接口，后级连接并驱动高频斩波调制模块，输出一定频率范围的斩波调制信号，该调制信号的频率最高可达100khz以上。电源驱动模块用于将核心控制模块产生的pwm驱动信号隔离放大，从而控制焊接电源的能量输出。

高频逆变驱动子模块可采用现有模块，例如，中国发明专利《基于sic的超高频逆变式手工焊接电源》(公开号：cn106392263b)中记载的超高频驱动模块。

高频斩波驱动子模块可采用现有模块，例如，中国发明专利申请《基于sic的快频脉冲tig焊接电源数字化控制电路》(公开号：cn110076421a)中记载的调制开关管驱动电路。

锁孔特征量采样模块包括电流采集子模块和电压采集子模块；电流采集子模块前级连接主功率模块输出回路和从功率模块输出回路，后级连接adc1接口和adc2接口，组成两个电流反馈环；电压采集子模块前级连接快频脉冲焊接电源的输出两端，后级连接adc3接口，组成电压反馈环。锁孔特征量采样模块用于同步实时采集主功率模块电流信号、从功率模块电流信号和电弧电压信号，该信号用于输出电流反馈调节以及作为锁孔稳定性控制信号产生的依据。

电流采集子模块和电压采集子模块可采用现有模块，只需要实现电流信号和电压信号采集即可。

开关控制模块前级连接gpio接口，后级连接并控制水冷装置和高频高压引弧模块，在焊接过程中进行冷却水路通断控制和引弧控制。开关控制模块用于产生逻辑开关信号，控制水冷装置和高频高压引弧装置的工作状态。

开关控制模块可采用现有模块，只需要实现水冷装置和高频高压引弧模块的开关即可。

本实施例熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔tig焊接系统的焊接方法，包括如下步骤：

s1、首先根据工件材料和厚度，选择合适的深熔锁孔焊接模式以及相应焊接工艺参数，由人机交互系统将数据发送到核心控制模块，核心控制模块进行处理并生成焊接流程控制时序。

s2、工业机器人带动装夹好的焊枪，使焊枪钨针和工件保持一定距离并对准起始焊点，并给核心控制模块发送起始焊接信号，核心控制模块控制气体装置开启为焊接提前送保护气，控制水冷装置开启为焊枪提供水冷循环。

s3、主控制系统按照焊接流程时序，控制快频脉冲焊接电源、工业机器人、送丝装置、焊炬高度调节装置和气体装置协调完成快频脉冲深熔锁孔tig焊接成形过程。

如图4所示，包括依次执行的起弧阶段、电流上升阶段、大电流阶段、快频脉冲锁孔阶段以及收弧阶段。

引弧阶段，开关控制模块开启高频高压引弧模块，输出高频高压信号直至钨针和工件之间的气隙被击穿形成电弧；

电流上升阶段，高频逆变驱动子模块控制主功率模块和从功率模块输出直流电流，高频斩波驱动子模块控制高频斩波调制模块使主功率模块输出回路导通，焊接电源按一定规律输出逐渐增大的电流，电流由ia增大至ib；

大电流阶段，维持大电流ib不变，由锁孔特征量采样模块获取反映穿孔状态的电流电压信号，核心控制模块判定工件的穿孔状态，直至检测到熔池穿透焊件形成小孔；

快频脉冲锁孔阶段，高频逆变驱动子模块控制从功率模块输出直流电流ic1、控制主功率模块输出低频脉冲电流ic2，高频斩波驱动子模块控制高频斩波调制模块对主功率输出电流进行高频调制，调制频率可高达100khz，使ic2变为小幅值的高低频调制脉冲，ic1和ic2复合输出快频脉冲电流ic；锁孔特征量采样模块实时获取反映锁孔状态的电流、电压信号，经锁孔稳定性算法处理得到锁孔稳定性调节信号；根据该信号调节低频脉冲ic2的峰值占比从而控制平均电流大小，继而调整熔池液态金属重力和表面张力，同时焊炬高度调节装置根据该调节量调整焊炬和工件间的距离进而控制电弧长度，气体装置调节气流量大小，两者均改变电弧吹力，调节三者保证复杂工况下的熔池平衡；工业机器人按照一定速度和路径移动焊枪，送丝装置按照要求稳定填丝，电弧将熔融的金属排挤到熔池四周侧壁形成钥孔，电弧移动的反方向的熔池逐渐凝固形成焊缝；在锁孔阶段，快频脉冲的低频脉冲电流使得锁孔阶段的热输入降低，高频脉冲小电流使得在锁孔平衡的过程中对熔池施加震荡，该震荡可打断晶粒的持续生长，同时使液体金属冲刷并破碎新结晶组织，冲刷过程部分高熔点粒子进入熔池中心继而带动异质形核；综上，快频脉冲带来的熔池平衡震荡可极大改善大电流锁孔工艺引发的晶粒粗化现象；

收弧阶段，当焊枪到达焊道终点，工业机器人停止运动并向核心控制模块发送焊接停止信号，高频逆变驱动子模块控制从功率模块输出逐渐减小直至达到熄弧电流id，熔池弧坑回填。

s4、熄弧后，工件和焊枪依然处于高温状态，因此继续送保护气，一段时间后气体装置和水冷装置均关闭阀门，整个焊接流程结束。

该系统采用全数字化控制技术，实现焊接过程快频调制脉冲的输出以及熔池平衡震荡，解决热输入过大及晶粒粗化问题，进一步改善焊接质量，适用于不锈钢、钛合金等金属材料的焊接，具备宽工艺适用性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。