专利名称：微电弧点焊电源及微电弧点焊方法
技术领域：
本发明涉及电弧焊技术领域，特别是涉及一种微电弧点焊电源及微电弧点焊方法。
背景技术：
随着电子产品小型化、微型化、高性能化的发展和航天航空等尖端科学技术的高速发展，对各种微型件的焊接质量和性能要求也越来越高，提高焊接精度已是一些微小产品制造成功的关键。精密焊接技术是根据不同的焊接对象，选择适当的焊接方法和控制技术，对焊接过程进行精确控制，以实现精密焊接。在微电子领域器件封装和组装的精密焊接技术，又称为微型焊接技术，其主要目的是在获得可靠的接头性能的前提下，追求尽可能高的连接精度。传统的微电弧点焊技术，无法了解到工件的熔化量，而由于工件初始状态的摆放位置一般情况下都是不同的，因此，微电弧点焊电源输出的电流不能反映出工件的实际熔化量情况，导致焊接效果波动较大，控制精度低，使得焊接的接头内部不牢靠，外部形状不够圆滑。
发明内容
基于此，有必要提供一种焊接效果更好、控制精度更高的微电弧点焊电源及微电弧点焊方法。一种微电弧点焊电源，包括:用于输出高频电源至焊枪的主电路、DSP控制器、以及分别连接在所述DSP控制器与主电路输出端的电流采样电路和电压采样电路；所述电流采样电路采集所述主电路输出的电流值获得反馈电流输出至所述DSP控制器；所述电压采样电路采集所述主电路输出的电压值获得反馈电压输出至所述DSP控制器；所述DSP控制器用于根据设定的第一电流值以及所述反馈电流、反馈电压对PWM信号的占空比进行控制调节，并输出所述PWM信号控制所述主电路输出的电流。上述微电弧点焊电源，通过采用电流反馈与电压反馈相结合的反馈方式，对焊接电弧进行控制调节。根据设定的电流值以及反馈电流、反馈电压进行反馈控制调节，控制PWM信号的占空比，进而控制焊接电流以调节电弧，实现精确地控制工件的熔化量。达到控制精度高，接头成型均匀美观、一致性好。一种微电弧点焊方法，包括:维弧阶段、电流缓升阶段、主焊接阶段、缓降阶段、收弧阶段；所述维弧阶段:当检测到引弧成功后，调节微电弧点焊电源的输出电流将电弧降低到维持电弧稳定燃烧状态；
所述电流缓升阶段:在电弧稳定燃烧且预热设定的时间后，在设定的时间内将微电弧点焊电源的输出电流缓升至主焊接阶段设定的焊接电流值；所述主焊接阶段:在焊接过程中将微电弧点焊电源的输出电流保持为所述焊接电流值；所述缓降阶段:当焊接过程结束时，在设定的时间内将微电弧点焊电源的输出电流缓降至设定的收弧电流值；所述收弧阶段:在设定的时间内，将微电弧点焊电源的输出电流保持设定时间后
再减至零。上述微电弧点焊方法，电流缓升阶段实现了电流从维弧阶段到主焊接过程的平稳过渡，避免了电流陡升带来的纹波振荡，同时，电流缓慢增大使焊点预热后逐渐熔融，有利于熔化的成型，收弧阶段实现主焊接电流缓慢减小到维弧电流，使焊接平滑过渡，避免不良收弧导致的焊接缺陷，主焊接阶段是微电弧点焊主要的能量输入过程，可以根据实际焊接的材料不同，灵活控制主焊接时间，使材料完全熔融结合，达到良好的焊接效果，避免焊接接头质量不稳定、外部形状不够平滑的缺陷。
图1为一个实施例的微电弧点焊电源的结构示意图；图2为一个较优实施例的微电弧点焊电源的结构示意图；图3为一个微电弧点焊电源控制方式的示意图；图4为弧长变化示意5为一个电流为直流给定实施例的电流过程示意图；图6为一个焊接过程电流输出波形7为一个电流为直流脉冲给定实施例的电流过程示意具体实施例方式下面结合附图对本发明的微电弧点焊电源的具体实施方式
作详细描述。图1示出了一个实施例的微电弧点焊电源的结构示意图，包括:用于输出高频电源至焊枪的主电路、DSP控制器、以及分别连接在所述DSP控制器与主电路输出端的电流采样电路和电压采样电路。所述电流采样电路采集所述主电路输出的电流值获得反馈电流输出至所述DSP控制器。所述电压采样电路采集所述主电路输出的电压值获得反馈电压输出至所述DSP控制器。所述DSP控制器用于根据设定的第一电流值以及所述反馈电流、反馈电压对PWM信号的占空比进行控制调节，并输出所述PWM信号控制所述主电路输出的电流。所述控制模块用于根据预设的参数和反馈参数产生相应占空比的IOOkHz的PWM信号，输出至所述PWM驱动电路。本实施例的微电弧点焊电源，由电流采样电路、电压采样电路、DSP控制器和主电路构成电源的反馈控制系统。通过采用电流反馈与电压反馈相结合的反馈方式，相应的控制策略，调整输出的PWM信号的占空比，使电弧得到精确控制，达到精确控制工件的熔化量和接头成形的目的。在一个实施例中，所述根据设定的第一电流值以及所述反馈电流、反馈电压对PWM信号的占空比进行控制调节的过程包括如下:a、读取设定的第一电流值以及初始状态下的反馈电流、反馈电压。b、根据所述反馈电压计算初始状态下的弧长。C、根据所述反馈电流、反馈电压计算焊接过程中的电弧功率；具体的，设电弧功率为P，反馈电流为1、反馈电压为UJUP=UI。d、根据所述电弧功率与所述弧长的变化量进行补偿运算得到第二电流值。e、根据所述反馈电流和进行所述第二电流值调节PWM信号的占空比；具体地，计算所述第二电流值和反馈电流的偏差，根据所述偏差计算控制量，根据所述控制量调节所述PWM信号的占空比。上述实施例的控制调节方法，在焊接过程中可以实时辨识弧长的变化，根据熔接的情况，以弧长变化量作为熔化控制的依据，对工件放置的变化可以得到有效补偿，特别是对大量应用的线端熔接的情况，端子端部和放置位置难以保持一致的情况，通过这种方法能够有效控制焊接的熔化量。参见图2所示，图2为一个较优实施例的微电弧点焊电源的结构示意图。微电弧点焊电源的主电路包括:依次连接的PWM驱动电路、逆变电路、高频变压器和第一整流滤波电路；逆变电路连接直流电源，所述PWM驱动电路接入所述DSP控制器输出的PWM信号，第一整流滤波电路连接所述焊枪。本实施例的微电弧点焊电源，输入的直流电源经逆变电路得到高频交流电，经高频变压器降压后，再通过第一整流滤波电路的处理得到低电压、大电流的直流或直流脉冲电流，提供给焊枪激发电弧所需的电流源。为了获得更高的电弧电压变化分辨率，所述电压采样电路可以设计专门的信号调理电路进行调理，第一整流滤波电路输出回路电压经过隔离电路后，采用电平偏置电路去掉基础弧压，再经过进一步放大得到较大的动态电压变化范围，从而提高弧压检测的分辨率。进一步地，主电路还包括:连接所述逆变电路的第二整流滤波电路，用于将电网的交流电进行整流和滤波得到直流电源输出至所述逆变电路。第二整流滤波电路输入为单相50Hz，220V市电，经大功率整流的四个二极管整流后得到直流电压，再经过滤波电容得到较平滑的直流电压供给逆变电路，优选地，滤波电容可以采用470uF/450V的电解电容，电容旁并联电阻，当电路断电时，由电阻和电容来提供放电电路。进一步地，微电弧点焊电源还包括分别与所述DSP控制器连接的键盘和IXD显示器；其中，所述键盘用于设定焊接电流、焊接时间、焊接缓升时间、焊接缓降时间和提前、延迟通气时间等参数；所述LCD显示器用于用于显示输入的参数设定值，以及实时显示焊接电流。进一步地，微电弧点焊电源还包括连接DSP控制器的故障检测电路，用于对所述DSP控制器进行过热检测、过流检测以及网压异常检测。本实施例的微电弧点焊电源可以采用Microchip公司的dsPIC33FGS610芯片；反馈电流、反馈电压在输入DSP控制器后，首先进行ADC转换成数字信号，然后再进行高速的数字化运算处理。运算处理获得的控制输出，通过DSP内置PWM模块产生相应占空比的频率为IOOkHz的两路PWM信号，再经过驱动电路隔离放大后驱动功率MOSFET组成的全桥逆变电路。进一步地，微电弧点焊电源还包括连接在第一整流滤波电路与焊枪之间的高频引弧电路。在引弧时，所述DSP控制所述引弧控制电路接通，所述高频引弧电路向所述第一整流滤波电路输出回路输出高频高压用于引弧。在电弧引燃并达到稳定后，所述DSP控制器控制所述引弧控制电路关断，所述闻频引弧电路停止输出闻频闻压。本实施例的微电弧点焊电源还包括分别与所述控制模块连接的键盘和IXD显示器。所述键盘用于设定焊接电流、脉冲电流频率、脉冲电流基值、脉冲峰值电流占空比、焊接时间、焊接缓升时间、焊接缓降时间和提前通保护气、延迟断气等时间参数。所述LCD显示器用于显示输入的参数设定值，以及实时显示各阶段焊接电流值等。通过IXD显示器及按键可以实现焊接过程中参数的输入及显示。另外，控制模块还可以通过RS232可以实现和上位机进行数据交换，包括参数设定、焊接数据传送给上位机等。本实施例的微电弧点焊电源还可以包括连接控制模块的故障检测电路，用于对所述电源的功率电路进行过热检测、过流检测以及电网电压异常检测。 本发明中，反馈电流的控制调节过程构成电流反馈的控制内环，控制电弧电流以第二电流值为参考值，计算反馈电流与第二电流值的偏差，基于PID算法计算补偿量，调节输出PWM信号的占空比控制逆变电路，逆变电路工作频率为IOOkHz，PWM信号频率可以设定为100kHz，占空比调节分辨率1/4800。利用DSP控制器的性能优势，该反馈控制环的控制周期在I个逆变周期，即IOu s内，系统响应快速，电流稳定性可以得到有效控制。在实际应用中，微电弧点焊电源采用电流反馈控制，仅能保持电弧稳定燃烧，而由于受工件放置、工件熔化和操作的影响，弧长不是固定量，线端熔接效果不理想，特别是对小零件微电弧应用的情况，弧长的不一致导致熔化量有明显差异，而且焊点的成形差异较大。为了控制熔化量，本发明在电流控制内环基础上引入了基于动态预测控制外环，参见图3所示，图3为反馈处理过程的示意图。具体地，电弧电压与电弧电流、弧长、电弧通道相关，在电流恒定的条件下，电弧电压反应弧长。参见图4所示，图4为焊接时工件的放置位置和熔化后的示意图，在初始状态下焊枪的电极与工件之间的距离为L，由于每次焊接时工件放置不一定相同，因此，初始状态下电弧的电压也是不同的；设AL为工件实际的熔化量，则在焊接过程中，随着AL的变化，因此电弧的电压也是变化的。本发明的微电弧点焊电源的电流控制过程，可以在引弧成功后，首先初始状态下的一个较小电流的稳定段，测量电弧的电压和电流，根据弧压计算电弧初始弧长，并计算初始状态下的电弧功率。对于弧长的计算方法，作为一种实施方式，可以首先将钨极与工件的距离设定为固定的长度，按阶梯控制电流，获得相应的电弧电压曲线，改变弧长到另一固定值，重复上述过程，获得电弧电压曲线图，在实际应用中，通过DSP控制器提取电弧特性参数获取到对应的弧长。焊接开始阶段获得的弧长反应了工件放置的情况，对弧长偏大或偏小的情况，电弧功率发生变化，相应地，在电弧过渡到较大电流的焊接阶段后，根据弧长的变化量进行补偿运算，相应地对第一电流值按变化量减小或增加得到第二电流值，使得熔化的速度得到相应控制。在焊接的熔化阶段，弧 长的增加速度也即为熔化速度，根据弧长的变化量AL进行补偿运算，相应地对第一电流值I1按变化量减小或增加得到第二电流值I2，达到对熔化速率的控制，在弧长增加量△ L达到一定的值，系统进入收弧阶段。下面结合附图对本发明的微电弧点焊方法的具体实施方式
作详细描述。本发明的微电弧点焊方法可以基于本发明的微电弧点焊电源来实现，该方法主要包括:起弧阶段、电流缓升阶段、主焊接阶段、缓降阶段、收弧阶段。所述维弧阶段:当检测到引弧成功后，调节微电弧点焊电源的输出电流将电弧降低到维持电弧稳定燃烧状态。所述电流缓升阶段:在电弧稳定燃烧且预热设定的时间后，在设定的时间内将微电弧点焊电源的输出电流缓升至主焊接阶段设定的焊接电流值。所述主焊接阶段:在焊接过程中将微电弧点焊电源的输出电流保持为所述焊接电流值。所述缓降阶段:当焊接过程结束时，在设定的时间内将微电弧点焊电源的输出电流缓降至设定的收弧电流值。所述收弧阶段:在设定的时间内，将微电弧点焊电源的输出电流保持设定时间后
再减至零。由于微电弧点焊过程是利用高频引弧器进行引弧，高频引弧器输出高频高压，长期存在会对系统和周围造成干扰，本实施例的微电弧点焊方法，在检测到引弧成功后，通过电流调节使电弧迅速达到维弧状态，电弧稳定燃烧并预热一定时间后缓升到主要焊接时的电流值，然后进入主焊接过程，主焊接结束后进入电流缓降过程，降低到收弧电流后延时一定时间结束。电流缓升阶段实现了电流从维弧阶段到主焊接过程的平稳过渡，避免了电流陡升带来的纹波振荡，同时，电流缓慢增大使焊点预热后逐渐熔融，有利于熔化的成型，收弧阶段实现主焊接电流缓慢减小到维弧电流，使焊接平滑过渡，避免不良收弧导致的焊接缺陷，主焊接阶段是微电弧点焊主要的能量输入过程，根据实际焊接的材料不同，灵活控制主焊接时间，使材料熔化结合后结束，能达到良好的焊接效果。通过上述微电弧点焊方法，可以避免焊接中内部牢靠、外部形状不够平滑的缺陷。如图5所示，图5为一个电流为直流给定实施例的电流过程示意图，具体地，微电弧点焊方法如下:所述提前通气阶段h:启动焊接时，首先控制电磁气阀，将保护气体通过焊枪喷嘴通向焊接区域，可以有效排除气体通道和焊接区域的有害气体。所述维弧阶段t2:提前通气结束即控制引弧电路和主电路工作，当检测到引弧成功后，控制微电弧点焊电源的输出电流到给定值I1维持电弧稳定燃烧状态，在该阶段测量初始弧长。所述电流缓升阶段t3:在电弧稳定燃烧且达到测试目的和预热设定的时间后，在设定的时间内将微电弧点焊电源的输出电流缓升至主焊接阶段的焊接电流值i2。所述主焊接阶段t4:在焊接过程中将微电弧点焊电源的输出电流保持为所述焊接电流值i2，达到合适的熔化量后结束。所述缓降阶段t5:当焊接过程结束时，在设定的时间内将微电弧点焊电源的输出电流缓降至设定的收弧电流值i3。所述收弧阶段t6:在设定的时间内，将微电弧点焊电源的输出电流维持在i3并保持一定的时间。所述延迟断气阶段t7:电弧熄灭后继续维持保护气体一段时间，使接头在冷却过程的高温阶段不被氧化，延时结束后切断保护气。上述tl_t7时间按毫秒(ms)设定，电流按0.1A的分辨率设定，利用DSP控制器的优势，实现了时间和电流的精确控制，有效提高了电弧的控制精度。为了使得熔化的金属形成均匀圆滑的球状，在结束阶段设置了电流逐渐减少到一定值再维持一定时间的过程。电弧电流较大时，较大的电弧力直接作用在熔化金属上使得熔化金属变形，此时突然停止电弧，熔化金属凝固过快，来不及回到自然状态，形成的焊点变形严重，一致性差。而通过上述图示的电流衰减和维弧电流，当参数设置合适时，一方面减小凝固速度，熔化金属在表面张力作用下得以恢复到接近自然的球形状态，另一方面，小电流电弧的作用力减小，熔化金属变形减小，电弧撤除后能够在较短时间有效恢复。参见图6所示，图6为一个焊接过程电流输出波形图，该波形对应的参数设置为:维弧阶段电流为9.0A,维弧阶段时间为50ms:缓升阶段时间为50ms ;主焊接阶段电流为30.0A，主焊接阶段时间为300ms ;缓降阶段时间为50ms ;收弧阶段电流为9.0A，收弧阶段时间为50ms。参见图7所示，图7为一个电流为直流脉冲给定实施例的电流过程示意图。直流脉冲的控制思想与直流控制基本一致，每个脉冲的基值电流保持一致，峰值电流则按照电流设置规律控制，同样的，各阶段峰值电流采用内环电流控制外环预测控制的方法，基值电流起维弧作用，仅采用电流反馈控制。对直流脉冲输出的情况，参数给定还包括脉冲频率，脉冲占空比和基值电流。频率设定为0-500HZ、占空比设定0-99%，基值电流以维持电弧稳定燃烧为目的，设定分辨率
0.1A。本发明的系统采用高频逆变，脉冲的各种参数控制精度较高。直流脉冲电流波形对控制电弧的加热规律更加有效，尺寸稍大的工件适合采用脉冲电流波形。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种微电弧点焊电源，其特征在于，包括:用于输出高频电源至焊枪的主电路、DSP控制器、以及分别连接在所述DSP控制器与主电路输出端的电流采样电路和电压采样电路； 所述电流采样电路采集所述主电路输出的电流值获得反馈电流输出至所述DSP控制器； 所述电压采样电路采集所述主电路输出的电压值获得反馈电压输出至所述DSP控制器； 所述DSP控制器用于根据设定的第一电流值以及所述反馈电流、反馈电压对PWM信号的占空比进行控制调节，并输出所述PWM信号控制所述主电路输出的电流。
2.根据权利要求1所述的微电弧点焊电源，其特征在于，所述根据设定的第一电流值以及所述反馈电流、反馈电压对PWM信号的占空比进行控制调节的过程包括:· 读取设定的第一电流值以及初始状态下的反馈电流、反馈电压； 根据所述反馈电压计算初始状态下的弧长； 根据所述反馈电流、反馈电压计算焊接过程中的电弧功率； 根据所述电弧功率与所述弧长的变化量进行补偿运算得到第二电流值； 根据所述反馈电流和进行所述第二电流值调节PWM信号的占空比。
3.根据权利要求2所述的微电弧点焊电源，其特征在于，所述根据所述反馈电流和进行所述第二电流值调节PWM信号的占空比的过程包括: 计算所述第二电流值和反馈电流的偏差； 根据所述偏差计算控制量； 根据所述控制量调节所述PWM信号的占空比。
4.根据权利要求1所述的微电弧点焊电源，其特征在于，所述主电路包括:依次连接的PWM驱动电路、逆变电路、高频变压器和第一整流滤波电路； 所述逆变电路连接直流电源，所述PWM驱动电路接入所述DSP控制器输出的PWM信号，第一整流滤波电路连接所述焊枪。
5.根据权利要求1所述的微电弧点焊电源，其特征在于，所述主电路还包括:连接所述逆变电路的第二整流滤波电路，用于将电网的交流电进行整流和滤波得到直流电源输出至所述逆变电路。
6.根据权利要求1所述的微电弧点焊电源，其特征在于，还包括分别与所述DSP控制器连接的键盘和LCD显示器； 所述键盘用于设定焊接电流、焊接时间、焊接缓升时间、焊接缓降时间和提前、延迟通气时间等参数； 所述LCD显示器用于显示输入的参数设定值，以及实时显示焊接电流。
7.根据权利要求1所述的微电弧点焊电源，其特征在于，还包括连接DSP控制器的故障检测电路，用于对所述DSP控制器进行过热检测、过流检测以及网压异常检测。
8.一种微电弧点焊方法，其特征在于，包括:维弧阶段、电流缓升阶段、主焊接阶段、缓降阶段、收弧阶段； 所述维弧阶段:当检测到引弧成功后，调节微电弧点焊电源的输出电流将电弧降低到维持电弧稳定燃烧状态；所述电流电升阶段:在电弧稳定燃烧且预热设定的时间后，在设定的时间内将微电弧点焊电源的输出电流缓升至主焊接阶段设定的焊接电流值； 所述主焊接阶段:在焊接过程中将微电弧点焊电源的输出电流保持为所述焊接电流值； 所述缓降阶段:当焊接过程结束时，在设定的时间内将微电弧点焊电源的输出电流缓降至设定的收弧电流值； 所述收弧阶段:在设定的时间内，将微电弧点焊电源的输出电流保持设定时间后再减至零。
9.根据权利要求8所述的微电弧点焊方法，其特征在于，在所述维弧阶段前还包括提前通气阶段:启动焊接时，首先控制电磁气阀，将保护气体通过焊枪喷嘴通向焊接区域；在所述收弧阶段后还包括延迟断气阶段:在电弧熄灭后继续维持保护气体一段设定时间 。
全文摘要
一种微电弧点焊电源，包括用于输出高频电源至焊枪的主电路、DSP控制器、以及分别连接在DSP控制器与主电路输出端的电流采样电路和电压采样电路；电流采样电路采集所述主电路输出的电流值获得反馈电流输出至所述DSP控制器；电压采样电路采集主电路输出的电压值获得反馈电压输出至所述DSP控制器；DSP控制器用于根据设定的第一电流值以及反馈电流、反馈电压对PWM信号的占空比进行控制调节，并输出所述PWM信号控制主电路输出的电流。该电源实现精确地控制工件的熔化量。电源的控制精度高，接头成型均匀美观、一致性好。另外还提供一种微电弧点焊方法，避免焊接接头质量不稳定、外部形状不够平滑的缺陷。
文档编号B23K9/095GK103182582SQ201310116700
公开日2013年7月3日 申请日期2013年4月3日 优先权日2013年4月3日
发明者陈和平, 曹彪, 刘瀚波, 杨凯 申请人:广州市精源电子设备有限公司, 华南理工大学