专利名称：一种低能量输入电弧焊接系统及方法
技术领域：
本发明涉及用于低能量输入电弧焊接系统及方法，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，大家对这种方法的理解有所不同，对很多问题的看法还没有达成共识。目前主要有两种焊接方法，一种叫做冷金属过渡焊接，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，送丝机可以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，整个焊接过程几乎无飞溅。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，都有较大的不足第一种形式要求在十几微秒的焊接周期里根据焊接的状态实时控制电机的运动，使其按照焊接工艺的要求完成正反转，其控制复杂实现比较困难；第二种形式采用特制的焊丝不易于推广。
发明内容
基于现有低能量输入电弧焊接方法的不足，本发明提出了一种低能量输入电弧焊接系统及方法，本系统采用推拉丝的送丝方式，具有简单可控、保证电弧稳定性的优点。
本发明所提出的低能量电弧焊接系统分为两部分焊接系统(如
图1所示)和送丝系统(如图2所示)，送丝系统采用一种交流伺服电机，按照实际焊接要求预先编好电机转动的程序，也就是设定好焊丝的运动轨迹，然后根据电压反馈信号通过控制电路判断焊接过程，配合焊丝运动给出相应的焊接电流，保证焊接弧长相对恒定，使焊接过程稳定可靠。
本发明采用了如下技术方案，本系统包括有直接为焊接提供功率输出的主电路部分1、送丝系统3和用于调节主电路部分1输出功率的控制电路部分2，控制电路部分2包括有核心控制部分A、控制执行部分B、外围设备控制及执行部分C、前面板的输入及显示部分D、送丝系统控制接口部分E。其中，核心控制部分A包括有DSP系统A1及分别与DSP系统A1连接的D/A转换A2、电流采样及滤波A3、电压采样及滤波A4，电流采样及滤波A3和电压采样及滤波A4的输入端为主电路部分1的焊接功率输出1.7输出的电流、电压信号；控制执行部分B、外围设备控制及执行部分C、前面板的输入及显示部分D、送丝系统控制接口部分E都分别与DSP系统A1连接。控制执行部分B包括有脉宽调制电路B1、IGBT驱动电路B3、保护电路B2，脉宽调制电路B1的一端通过D/A转换A2与DSP系统A1相连，另一端与IGBT驱动电路B3相连，IGBT驱动电路作为控制执行部分B的输出与主电路部分1的逆变电路1.3相连，脉宽调制电路还连接有保护电路B2。外围设备控制及执行部分C包括有焊枪开关C1、气阀C2，焊枪开关C1及气阀C2均与DSP系统A1相连，焊枪开关C1为DSP系统A1提供焊接开关信号，气阀C2接收DSP系统A1的指令为焊接过程提供保护气；前面板的输入及显示部分D包括有与DSP系统A1相连的焊接参数显示D1和焊接参数预置D2。送丝系统控制接口部分E通过送丝系统控制接口电路E1与送丝系统3相连。所述的送丝系统3包括有上位机F、电机控制器G、送丝电机，上位机F通过电机控制器G与送丝电机H相连，电机控制器G通过控制电路部分2中的送丝系统控制接口电路E1接受DSP系统A1发出的信号。
所述的焊接参数显示D1先显示通过焊接参数预置D2预置的焊接参数，再实时显示实际焊接电流电压值。
以上所述的一种低能量输入电弧焊接系统的控制方法，其特征在于，该方法是按以下步骤实现的1)根据实际要求，确定焊接参数包括送丝速度V、基值电流Ib、峰值时间Ip、短路电流、平均电压参考值Uac，通过前面板的输入及显示部分D将以上焊接参数输入DSP系统A1；2)根据实际要求，确定焊丝运动曲线L，焊接前将焊丝运动曲线L从上位机下载到电机控制器G，焊接时送丝电机H将按照焊丝运动曲线L做相应的运动；3)DSP系统A1检测焊枪开关C2是否打开，是则打开脉宽调制电路B1，即输出能量，启动送丝电机H，DSP系统通过从电压采样及滤波A4接收到的焊接电压反馈信号判断焊接过程是否发生短路，如果发生短路，就给出相应的短路电流，如果没有发生短路，就通过计算程序给出此时的峰值电流Ip，当峰值电流Ip作用了峰值时间Tp之后，给出基值电流Ib。
所述的计算程序为，DSP系统(A1)计算来自电压采样及滤波(A4)的3～10个周期的平均电压，并将该平均电压值与预先设定的平均电压参考值Uac进行比较，然后根据二者的差值确定峰值电流Ip；或者所述的计算程序为，DSP系统A1计算来自电压采样及滤波A4的3～10个周期的平均电压，并将该平均电压值与预先设定的平均电压参考值Uac进行比较得到二者的差值ΔU(n)；再将本次计算的ΔU(n)与前一次的值ΔU(n-1)相减得到差值即平均电压变化率e(Ub)，然后根据ΔU(n)和e(Ub)确定峰值电流Ip。
所述的短路电流包括有短路初期电流Idc、短路后期电流Idh，短路刚开始时给出短路初期电流Idc，短路初期电流Idc作用Tdc时间后，给出短路后期电流Idh。
所述的短路初期电流一般取值为3～50A，短路初期电流作用时间Tdc为0.5～3ms，短路后期电流取值为20～100A。
所述的送丝速度V的取值范围为3～7m/min，基值电流Ib的取值范围为10～50A，峰值时间Ip的取值范围0.5～3ms、短路电流的取值范围为3～100A、平均电压参考值Uac的取值范围为10～15V，峰值电流Ip取值范围为120～300A。
采用上述方法使电流、电压参数配合焊丝运动，保证弧长稳定，完成焊接过程。
本发明的设计思想为将焊接系统和送丝系统配合起来，按照实际焊接要求预先编好电机转动的程序，也就是设定好焊丝的运动轨迹，使焊接过程的电流、电压参数配合预先设定的焊丝运动，结合专门的控制方法，达到低能量输入，实现稳定的焊接过程。其中将两个系统配合起来的控制方法为本发明的核心部分，即能量控制法，其原理为根据反馈电压信号判断短路与燃弧状态。短路阶段，在短路初期，电流恒定在一个较小值，保证不产生瞬时飞溅；在短路后期，电流保持在一个稍大值，保证熔滴拉断时电弧顺利再引燃以及有利于形成颈缩。燃弧阶段，在短路刚结束时，根据一定周期(如5个周期)的电压反馈信号计算出的平均电压值并与平均电压参考值进行比较得到二者的差值ΔU(n)，再将本次计算的ΔU(n)与前一次的值ΔU(n-1)相减得到差值即平均电压变化率e(Ub)，根据ΔU(n)或者ΔU(n)和e(Ub)得出峰值电流值，保持峰值电流值在峰值时间内恒定，当峰值时间到，给出恒定的基值电流值。若弧长受到干扰时弧长恢复主要依靠峰值电流的变化引起的能量变化来进行调节。由此模式决定了整个焊接过程由不同的多段恒定的电流组成，可以根据能量的变化自动调节弧长，使焊丝运动与焊接参数配合起来，实现稳定的焊接过程。
与现有技术相比，本发明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，几乎无飞溅，电弧稳定性强。由于本发明方法将焊接系统和送丝系统配合起来，焊接参数和焊丝的前进回抽相配合，采用能量控制模式，能够更好的控制外部因素对弧长的干扰，所以能够提高电弧稳定性和使焊接过程几乎无飞溅。
2、整体控制简单，无需实时控制控制电机的运动，大大降低了设备及控制方法的复杂性和难度。根据实际要求和焊接参数预先设定好焊丝的运动曲线，在焊接过程中送丝电机就按该曲线运动，不需要进行实时控制。
3、用范围广；可以应用于3mm以下的铝合金板、镀锌钢板焊接，还可用于钢铝异种金属的焊接，具有广泛的应用前景。
附图表说明图1焊接系统结构组成2送丝系统结构组成3焊丝运动曲线4主程序软件方案5焊接程序框6计算程序框7ΔU与峰值电流对应关系表图8ΔU及电压变化率与峰值电流对应关系表具体实施方式
现在将结合附图对本实施例进行说明。(实施例针对1mm厚的3A21铝合金板进行对接焊缝的焊接)本发明的一个具体实例低能量输入电弧焊接系统结构组成图如图1、2所示，总体上主包括两部分焊接系统和送丝系统3。
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；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；滤波1.6采用磁芯饱和电感，电感量约30μH。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(PI)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。
其工作顺序为三相输入380V交流电首先经过1.1输入整流部分进行整流和1.2滤波后，变为540V的直流。此后此直流电经过1.3逆变电路(此由控制电路部分2控制)逆变和1.4中频变压器的降压隔离后变为20KHZ的交流电，然后经过1.5输出整流器和1.6的滤波后变为焊接所用的大电流低电压直流，供给1.7焊接功率输出。由于以上电路的工作频率为20KHZ，同时输出电感也很小(30μH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
核心控制部分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1.7输出的电流、电压值输入到电流采样及滤波A3和电压采样及滤波A4的信号以获得焊接实时焊接电压电流值，其中电流采样及滤波A3采回焊接过程中的实际电流值由于PI控制(比例积分控制)，实时调整电流偏差，实现达到闭环控制；电压采样及滤波A4采回焊接过程中的实际电压值用于计算峰值电流，还可以达到监控焊接状态的目的。第二个输入部分是从部分C获得的焊枪开关信号C1。第三个输入部分来源于前面板的输入及显示部分D的焊接参数预置D2，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。
控制执行部分B，其输入为核心控制部分A的D/A转换A2，经脉宽调制电路B1的PWM脉宽调制后输入到IGBT驱动电路B3，经处理后输入到逆变电路1.3，完成此控制功能。
部分C为外围设备控制及执行部分。执行着来源于焊枪开关C1对部分A的输入，以及部分A对气阀C2的输出控制。
部分D为前面板的输入及显示部分。焊接参数预置D2对核心控制部分A输入，实现焊接参数的设定，并通过焊接参数显示D1进行显示。当焊接时，核心控制部分A输出焊接电流和电压给焊接参数显示D3，使其能实时观测焊接参数。
部分E为送丝系统控制接口部分。送丝系统控制接口电路E1与DSP系统A1相连，接收DSP系统A1的信号并传递给送丝系统2，控制送丝机的启停。
送丝系统3由上位机F，电机控制器G，送丝电机H组成。上位机F将预先编制好的焊丝运动曲线下载到电机控制器G，通过电机控制器G控制送丝电机H的转动。送丝系统3的电机控制器G还通过焊接系统控制电路2送丝系统控制接口部分E的送丝系统控制接口电路E2接受核心控制部分A的DSP系统A1的信号。
本发明的程序控制分两部分焊丝运动曲线L(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。
焊丝运动曲线L(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)。根据焊接实际工况要求及焊接参数平均电压参考值Uac确定每次焊丝前进的距离。用上位机F利用德国Lenze公司的GlobalDrive Control软件编制焊丝运动曲线L，得到前进回抽交替进行的固定的焊丝运行轨迹。所作的运动曲线L如图3所示。将该曲线从上位机F下载到电机控制器G，只要送丝电机H运行使能，送丝电机H就会根据电机控制器G的控制按照焊丝运动曲线L进行运动。整个运动过程稳定，无需实时控制，简单可靠。
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4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、基值电流Ib为20A、峰值时间Tp为1.5ms、短路初期电流Idc为20A、短路初期时间Tdc为2ms、短路后期电流Idh为70A、平均电压参考值Uac为12.5V等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。本发明的控制方法主要体现在焊接程序及计算程序过程中。
图5所示为焊接程序框图，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。其过程为首先进行计算得出峰值电流Ip，然后判断是否发生短路。如果发生短路，将电流置为较低的短路初期电流Idc(防止产生瞬时飞溅)，然后计时至短路初期时间Tdc到时，将电流置为稍大的短路后期电流Idh(保证电弧顺利的再引燃及有利于形成颈缩)。如果没有发生短路，首先输出峰值电流Ip，该电流通过计算程序得出，然后计时至峰值时间Tp到时，将电流置为基值电流Ib。整个过程是在根据焊接状态判断焊丝的运动情况并给出相应的电流值，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。
控制方法的另一个核心部分体现在计算程序过程，如图6所示为计算程序框图。主要功能是进行峰值电流Ip的计算。其执行过程为DSP系统A1根据电压采样及滤波A4所得的电压采样信号计算出几个周期(如5个)内的平均电压值Ua，并将此电压值与平均电压参考值Uac进行比较，得到二者的差值ΔU(n)，根据ΔU(n)确定峰值电流Ip，图7为平均参考电压值Uac为12.5V时，ΔU与峰值电流Ip的对应关系表。计算程序还可以根据ΔU(n)及平均电压的变化率e(Ub)确定Ip，即将本次计算的ΔU(n)与前一次的值ΔU(n-1)相减得到差值即平均电压变化率e(Ub)，根据ΔU(n)和e(Ub)确定下一个周期的峰值电流Ip，图8为平均参考电压值Uac为12.5V时，ΔU和e(Ub)与峰值电流Ip的对应关系表。根据改变峰值电流来调节弧长，适应弧长的变化，保证焊接过程的稳定，避免了由于事先设置焊丝的运动轨迹而造成的弧长不稳定现象，是本发明的控制方法的核心部分。
本低能量电弧焊接系统针对于3mm以下薄板焊接，包括铝及铝合金板焊接、镀锌钢板焊接以及铝及铝合金板与镀锌钢板之间的异种金属焊接。采用Φ1.2mm焊丝时，能实现1.5m/min(板厚δ＝0.5mm)、平均电流45A、平均电压11V和0.7m/min(板厚δ＝1mm)、平均电流55A、平均电压12.5V的稳定焊接。整个焊接过程稳定、易于实现及控制、能量输入低、电弧稳定、焊缝成型好、变形极小、几乎无飞溅。达到设计及使用的要求。
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实现其功能等。只要其系统及控制思想与本发明所叙述的一致，均应视为本发明所包括的范围。
权利要求
1.一种低能量输入电弧焊接系统，包括有直接为焊接提供功率输出的主电路部分(1)、送丝系统(3)、还包括有用于调节主电路部分(1)输出功率的控制电路部分(2)，控制电路部分(2)包括有核心控制部分(A)、控制执行部分(B)、外围设备控制及执行部分(C)、前面板的输入及键盘/显示部分(D)、送丝系统控制接口部分(E)；其中，核心控制部分(A)包括有DSP系统(A1)及分别与DSP系统(A1)连接的D/A转换(A2)、电流采样及滤波(A3)、电压采样及滤波(A4)，电流采样及滤波(A3)和电压采样及滤波(A4)的输入端为主电路部分(1)的焊接功率输出(1.7)输出的电流、电压信号；控制执行部分(B)、外围设备控制及执行部分(C)、前面板的输入及显示部分(D)、送丝系统控制接口部分(E)都分别与DSP系统(A1)连接；控制执行部分(B)包括有脉宽调制电路(B1)、IGBT驱动电路(B3)、保护电路(B2)，脉宽调制电路(B1)的一端通过D/A转换(A2)与DSP系统(A1)相连，另一端与IGBT驱动电路相连，IGBT驱动电路作为控制执行部分(B)的输出与主电路部分(1)的逆变电路(1.3)相连，脉宽调制电路还连接有保护电路(B2)；外围设备控制及执行部分(C)包括有与DSP系统(A1)相连的焊枪开关(C1)、气阀(C2)，焊枪开关(C2)为DSP系统(A1)提供焊接开关信号，气阀(C2)接收DSP系统(A1)的指令为焊接过程提供保护气；前面板的输入及显示部分(D)包括有与DSP系统(A1)相连的焊接参数显示(D1)和焊接参数预置(D2)；送丝系统控制接口部分(E)通过送丝系统控制接口电路(E1)与送丝系统(3)相连；其特征在于所述的送丝系统(3)包括有上位机(F)、电机控制器(G)、送丝电机(H)，上位机(F)通过电机控制器(G)与送丝电机(H)相连，电机控制器(G)通过控制电路部分(2)中的送丝系统控制接口电路(E1)接收DSP系统(A1)发出的信号。
2.根据权利要求1所述的一种低能量输入电弧焊接系统，其特征在于所述的焊接参数显示(D1)先显示通过焊接参数预置(D2)预置的焊接参数，再实时显示实际焊接电流电压值。
3.权利要求1所述的一种低能量输入电弧焊接系统的控制方法，其特征在于，该方法是按以下步骤实现的1)根据实际要求，确定焊接参数包括送丝速度V、基值电流Ib、峰值时间Ip、短路电流、平均电压参考值Uac，通过前面板的输入及显示部分D将以上焊接参数输入DSP系统(A1)；2)根据实际要求，确定焊丝运动曲线L，焊接前焊丝运动曲线L从上位机(F)下载到电机控制器(G)，焊接时送丝电机(H)将按照焊丝运动曲线L做相应的运动；3)DSP系统(A1)检测焊枪开关(C2)是否打开，是则打开脉宽调制电路(B1)，即输出能量，启动送丝电机(H)；4)DSP系统通过从电压采样及滤波(A4)接收到的焊接电压反馈信号判断焊接过程是否发生短路，如果发生短路，就给出相应的短路电流，如果没有发生短路，就通过计算程序给出此时的峰值电流Ip，当峰值电流Ip作用了峰值时间Tp之后，给出基值电流Ib。所述的计算程序为，DSP系统(A1)计算来自电压采样及滤波(A4)的3～10个周期的平均电压，并将该平均电压值与预先设定的平均电压参考值Uac进行比较，然后根据二者的差值确定峰值电流Ip；或者所述的计算程序为，DSP系统(A1)计算来自电压采样及滤波(A4)的3～10个周期的平均电压，并将该平均电压值与预先设定的平均电压参考值Uac进行比较得到二者的差值ΔU(n)，再将本次计算的ΔU(n)与前一次的值ΔU(n-1)相减得到差值即平均电压变化率e(Ub)，然后根据ΔU(n)和e(Ub)确定峰值电流Ip。
4.根据权利要求2所述的一种低能量输入电弧焊接系统的控制方法，其特征在于所述的短路电流包括短路初期电流Idc、短路后期电流Idh，短路刚开始时给出短路初期电流Idc，短路初期电流Idc作用Tdc时间后，给出短路后期电流Idh。
5.根据权利要求5所述的一种低能量输入电弧焊接系统的控制方法，其特征在于所述的短路初期电流作用时间Tdc为0.5～3ms。
全文摘要
本发明涉及用于低能量输入电弧焊接系统及方法，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，焊接系统和送丝系统。焊接系统主要包括有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)。送丝系统包括有上位机(F)、电机控制器(G)、送丝电机，上位机(F)通过电机控制器(G)与送丝电机(H)相连。送丝电机采用一种交流伺服电机，在上位机(F)中预先编好电机转动的程序，也就是设定好焊丝的运动轨迹，然后根据电压反馈信号通过控制电路判断焊接过程，配合焊丝运动给出相应的焊接电流。具有控制方法简单，能够保证弧长稳定的优点。
文档编号G05B19/042GK1986135SQ20061014429
公开日2007年6月27日 申请日期2006年12月1日 优先权日2006年12月1日
发明者卢振洋, 黄鹏飞, 张撼鹏, 殷树言, 高文宁 申请人:北京工业大学