雙恒流式CO焊逆變電源研究

1、雙恒流式c02焊逆變電源研究蔣力培，命建榮，鄒勇，羅建（北京石油化工學(xué)院裝備技術(shù)研究所，北京102617）摘 要：研究基于雙恒流外特性的新型co?焊逆變電源,該電源采用雙恒流外特性，由微機控制 系統(tǒng)在燃弧階段自動切換恒流值，在短路階段優(yōu)化控制電流波形，從而達到減小飛濺和改善焊縫成 形的口的。本文介紹了此智能co/早逆變電源的雙恒流外特性工作原理、短路電流波形控制方案、微 機控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及軟件流稈。關(guān)鍵詞：恒流co?焊接逆變電源 智能 波形控制 單片機隨著電力電子技術(shù)和大功率半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展，逆變技術(shù)在焊接電源中得到了廣泛的應(yīng)用。 逆變弧焊電源以其所貝有的效率高、節(jié)能顯著、體積小、質(zhì)量輕

2、、動靜態(tài)特性好等優(yōu)點已成為焊接 電源的丄流產(chǎn)品。利用逆變電源的工作頻率高、響應(yīng)速度快的特點，將各種波形控制及智能控制技 術(shù)相結(jié)合，發(fā)展新型的智能逆變焊接電源成為未來焊接電源發(fā)展趨勢。同時自動控制技術(shù)的發(fā)展為 人們開發(fā)出新一代的微機控制弧焊電源提供了可能，從而推動了焊接新技術(shù)的進一步發(fā)展“ 刃。基于此我們研制了一種基于恒流的智能逆變c0?焊接電源。該電源采用雙恒流外特性，由微機控 制系統(tǒng)在燃弧階段自動切換恒流值，在短路階段優(yōu)化控制電流波形，從而達到減小飛濺和改善焊縫 成形的目的。1雙恒流式逆變焊接電源基本原理如圖1示，雙協(xié)流外特性逆變焊接電源的基本原理是：在燃弧階段時，電源工作在兩個恒流外 特性

3、曲線段，即基值恒流段l1和峰值恒流段l2。焊接動態(tài)過程屮的真實負載工作點是焊接電源特 性與電弧伏安特性曲線的交點。在燃弧階段前期，電源在峰值恒流段工作，焊絲在峰值電流is作用下迅速熔化，隨著熔滴逐漸 增大趨近熔池，則電弧電壓逐漸降低；當(dāng)電弧電壓低于一定值后，電源自動切換到基值恒流段，則 燃弧階段片期的焊接電流維持在基值電流lb,直至熔滴與熔池接觸短路。在熔滴短路過渡過程中， 微機控制系統(tǒng)對短路電流波形進行優(yōu)化控制，直到短路過程結(jié)束，電源輸出電壓升高，垂新引弧， 焊機進入下一個燃弧一短路工作過程。焊接過程中的真實負載工作點是焊接電源特性與電弧伏安特性曲線的交點。燃弧過程中兩個恒 流外特性曲線段的

4、自動切換可以通過判斷電弧電壓來實現(xiàn)，也可以通過控制燃弧電流時間來實現(xiàn)。在設(shè)定焊接電流或焊絲送進速度后，其對應(yīng)的雙恒流值是山微機系統(tǒng)在經(jīng)驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上考 慮短路頻率f,短路時間5和燃弧時間t燃等統(tǒng)計而進行調(diào)正確定的。2短路電流波形控制2. 1短路電流波形控制方案通常認為短路過渡c 02焊產(chǎn)生飛濺的主要原因是短路初期電流密度在小橋縮頸處急劇增人引 起電爆炸與短路結(jié)束再引弧時電流對熔池的沖擊。這樣，如呆在短路小橋、縮頸小橋形成與存在期 間控制電流增長，if至降低電流，將會減弱電磁力對小橋的斥縮作用和爆炸程度，從而可降低飛濺 率；此外，如果抑制短路末期與燃弧初期的電流峰值，削弱電流對熔池的沖擊，則可進

5、一步降低飛 濺率?；谏鲜龇治觯疚牟捎脠D2所示的電流波形控制方案。該控制方案的要點是，當(dāng)電弧短路產(chǎn) 生時，先使電流在基值電流lb維持一段時間，防止電爆炸現(xiàn)彖產(chǎn)生；然肩使電流以一定di/ dt速 率遞增，用于產(chǎn)生較大的電磁收縮力，加速焊絲端部熔滴向焊接熔池過渡；當(dāng)短路結(jié)束再引弧時， 再次將焊圖錯誤！未定義書簽。雙恒流工作原理圖說明：圖中l(wèi)i, l2為焊機電源輸出外特性（靜特性）；l3為名義平均參考c02自身特性曲線;0點 為名義工作點圖錯誤！未定義書簽。短路電流波形控制模型接電流降為lb并維持一段時間，防止電弧重燃對焊接熔池產(chǎn)生的電弧沖擊力過大。這樣，通過對 短路前期、短路后期、再引弧初期等階

6、段的電流波形控制，對co/0接熔滴過渡進行全過程控制。2.2波形控制的智能化在不同的送絲速度和焊接電流悄況下，co?焊存在三種熔滴過渡形式，即短路過渡、混合過渡和 射流過渡，每一種過渡過程的機理不一樣，所需要的電流波形也不一樣，因而需耍針對各種不同的 熔滴過渡過程提出不同的電波波形控制方案。對電流波形進行智能化控制就是利用單片機作為智能 控制器，通過硬件電路對熔滴過渡過程狀態(tài)進行檢測，確定當(dāng)前熔滴所處的階段，并依據(jù)所確定的 控制電流波形輸出相應(yīng)的控制最，以獲得所需要的電波波形。同時，建立焊接過程優(yōu)化控制模型， 對焊接過程參數(shù)進行尋優(yōu)控制，在線修改各焊接控制參數(shù)，以獲得最優(yōu)的焊接過渡過程。3微機

7、控制系統(tǒng)設(shè)計雙恒流式co他變焊接電源8031單片機控制板進行控制。由于單片機控制板的系統(tǒng)資源有限, 因而擴展了五路數(shù)據(jù)采樣電路，對焊接電流、電壓、送絲速度、峰值與基值電流設(shè)定值進行采樣, 如圖3所不。圖錯誤！未定義書簽。 恒流控制硬件結(jié)構(gòu)框圖控制過程中，系統(tǒng)依據(jù)焊接電流設(shè)定值對悍接電流的峰值基值進行雙恒流控制；并根據(jù)焊接 電壓值判斷焊接過程處于哪-個階段，通過電流切換電路輸出與該階段相對應(yīng)的控制量，優(yōu)化控制 焊接過程中的la, lb, is和ip值從而實現(xiàn)對整個焊接過程的控制。在程序中用了兩個定時器，莫 中一個作為基準(zhǔn)定時器，定時周期為500us,提供控制基準(zhǔn)時基，為采樣電流，電壓，送絲速度及

8、 計算短路頻率服務(wù)。別一個定時器則為控制定時器，用該定時器提供短路和燃弧期間的時間控制。4工藝實驗大量的工藝試驗結(jié)果表明，雙恒流 血焊逆變電源實現(xiàn)了智能化控制電流波形，電弧燃燒穩(wěn)定， 飛濺很小，焊縫成形也很好。圖4為實測焊接電流與電弧電壓波形，與電流設(shè)計波形基本一致。實驗材料為a3鋼，體積為1 40 mmx 3 0 mmx 6mm,焊絲采用錦泰1 . 2焊絲，送絲速度 2. 8m/min,焊接速度0 . 5m/m i n ,保護氣體co?,氣體流量1 5 l/min,導(dǎo)電嘴至母材距離15 mm o ib=50a, ip=150a.焊接電流為140a,焊接電壓為20v。5結(jié)論（1）雙恒流外特性（xl逆變焊機采用配合等速送纟幺及，通過弧壓弧長軟件負反饋建立弧長自動 調(diào)節(jié)機制，電弧彈性好、工作穩(wěn)定，電源動態(tài)特性好。（2）在雙恒流外特性的基礎(chǔ)上容易實現(xiàn)智能化控制co?逆變焊機的電流波形，能明顯減少e濺, 改善焊縫成型。ioonuioo圖4焊接電流