弧焊电源及其数字化控制第7章-弧焊电源及其数字化控制课件.pptx
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- 电源 及其 数字化 控制 课件
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1、1.弧焊电源控制系统概述2.弧焊电源数字化控制系统的关键技术3.弧焊电源的单片机控制4.弧焊电源的全数字化控制5.弧焊电源的智能控制6.弧焊电源动态特性的数学描述7.数字化控制弧焊电源产品简介17.1.1弧焊电源的控制方法分类图7-1 弧焊电源控制方法的分类 对弧焊电源的控制方法可有不同的分类方法,按控制装置来分,主要有:机械式控制、电磁式控制、电子式控制和数字式控制,如图7-1所示。按控制方法来分,主要有:PID控制、自适应控制、模糊逻辑控制、人工神经网络控制等。按控制内容来分有外特性控制、动特性控制和工艺程序控制等等。27.1.2弧焊电源各种控制方法的特点 (1)机械式控制的弧焊电源 通过
2、机械移动铁心或绕组的位置,或换接抽头来改变漏抗和控制漏抗,从而控制弧焊电源的外特性。“结构做像了,性能也做像了”。(2)电磁式控制的弧焊电源靠改变主回路中饱和电抗器的磁饱和程度来控制弧焊电源。工作可靠性高,但是磁惯性大,调节速度慢,不灵活,体积和质量都很大,效率低,它们将逐渐被淘汰。(3)模拟电子式控制的弧焊电源模拟电子式控制的弧焊电源主电路采用电力电子功率器件进行功率调节。主要特点是:控制精度高,可控性好;参数调节范围宽,可调参数多;动特性好,动态响应速度快;高效、节能省材。(4)数字式控制的弧焊电源在模拟电子式控制弧焊电源的基础上,以单片微处理器、DSP、ARM嵌入式芯片为核心来实现弧焊电
3、源的部分或全数字化控制。37.1.3对弧焊电源控制系统的要求 弧焊工艺对弧焊电源的电气性能和特性提出了四项基本要求:适当高的空载电压;在不同弧焊方法工作过程中参数稳定合适的外特性曲线形状;足够宽的参数调节范围(良好的调节特性);能使弧焊过程熔滴过渡平稳和减少飞溅的动态响应(良好的动特性)。41.弧焊电源控制系统概述2.弧焊电源数字化控制系统的关键技术3.弧焊电源的单片机控制4.弧焊电源的全数字化控制5.弧焊电源的智能控制6.弧焊电源动态特性的数学描述7.数字化控制弧焊电源产品简介5 数字化控制的弧焊电源自身并不能提高弧焊工艺性能,只是提供了易于提高弧焊性能的控制平台,要真正提高弧焊性能,还需要
4、更加深入地研究弧焊工艺机理。数字化控制弧焊的关键技术包括:弧焊工艺的时序控制 成功率高的起弧和重新引弧技术 稳定的弧焊过程 一元化参数控制技术 短路过渡焊、脉冲焊、高速焊等的电流波形及其软性变换控制技术 收弧和收弧控制技术67.2.1弧焊工艺的时序控制各种焊接方法都要按照一定的程序操作焊接过程,如图7-2a所示为带高频引弧器的TIG弧焊逆变器工艺控制时序。焊枪/焊炬控制开关接通后,弧焊电源的控制电路开始工作,Ar保护气电磁阀开通;延时后,高频引弧器开通引燃电弧,引弧成功后高频引弧器关断。电流在电弧引燃时经过短暂的峰值后回到维弧电流,经过一段预热延时后缓升到正常值。在焊接结束前电流要缓降到维弧电
5、流,经过一段延时后再降为零。送气阀经过延时后再关断。图7-2 弧焊工艺控制时序a)TIG焊(带高频引弧)工艺时序 b)CO2焊工艺时序 77.2.2引弧和收弧控制对于熔化极气体保护焊,在引弧过程中由于焊丝和工件的接触不可避免地存在抖动,电压产生剧烈震荡,电流上升缓慢,引燃电弧较为困难。如图7-3a所示,在引弧过程中,在空载电压上维持有一段时间,电流上升迅速,引弧时间短,引弧顺畅,电弧声音柔和。在收弧过程中,电流应缓慢减少到零,让焊丝回烧以填平弧坑,减少弧坑裂纹等焊接缺陷。若收弧过程中电流冲击比较严重,焊接电流和电弧电压的抖动都比较剧烈,收弧过程不稳定,焊接过后有较大的弧坑出现。如图7-3b所示
6、的收弧过程比较好,焊接电流波形比较稳定,纹波抖动也较小,电流平缓降低,收弧过程效果较好。图7-3 MAG焊的引弧收弧过程a)引弧过程 b)收弧过程 87.2.2引弧和收弧控制 对于脉冲弧焊一般采用“热脉冲”引弧技术,如图7-4a所示为实测脉冲引弧电流波形。用“热脉冲”引弧电流波形能够较好地完成引弧,引弧点熔深比普通引弧好,同时“热引弧”对铝板预热充分,引弧过程电弧相对稳定,并不扰乱弧焊气氛,焊缝气体保护状况较好。如图7-4b所示为实测双脉冲收弧电流波形。正常弧焊结束后,持续输出36个依次递减的脉冲能量,从而顺利平滑过渡到小电流填坑状态,填坑的能量视不同弧焊电流大小而定。最后,输出一个强脉冲将焊
7、丝末端积球削掉。图7-4“热脉冲”引弧和收弧电流波形a)引弧电流波形b)收弧电流波形97.2.3弧焊参数的一元化调节在焊接参数的调节中,焊接电流和电压需要有很好的配合,不同焊接方法其电流和电压之间的关系也不同。在某一焊接电流值下,有一个对应的最佳电压值,只有电流和电压合理搭配才能使焊丝的熔滴过渡最稳定。电流与电压之间的搭配关系可以从大量焊接工艺试验中得到的,并可绘制出一条一元化曲线。在焊接过程中,通常采用的是电压优先的一元化参数调节。根据焊接材料和焊丝直径的不同,将弧焊电源电压给定电压信号依据一定的比例变换后,作为送丝电机的控制电压,使送丝速度随着弧焊电源输出电压的增大而增大,从而使输出电流随
8、之增大。107.2.4弧焊电源的波形控制在熔化极气体保护焊中,熔滴的形成、尺寸、过渡模式和熔滴行为等是影响焊接工艺性能、焊缝成形和焊接质量的重要因素,熔滴过渡及行为一直是焊接工作者研究的热点。在熔化极气体保护焊中,典型的熔滴过渡模式有CO2短路过渡和脉冲MIG焊的射滴过渡,研究熔滴过渡模式及行为的目的之一,是要对熔滴过渡过程加以控制。117.2.4弧焊电源的波形控制1.短路过渡的电流波形控制在CO2焊中小电流规范下,熔滴主要是短路过渡,它是在电压较低,弧长较短的时候发生的,是燃弧与短路交替进行的不规则周期性变化过程。在短路过渡过程中,焊接电流起着极其重要的作用。焊接电流的大小及变化率既控制焊丝
9、的熔化,熔滴过渡过程,又影响飞溅的产生和焊缝成形。而焊接电流是焊机输出特性和电弧特性综合作用的结果。焊接工作者研究出各种有效的控制方法。典型的有:恒压特性控制法、复合外特性控制法、波形控制法、脉动送丝控制方法等。较为典型的控制方法有双L型输出特性、双阶梯输出特性。在波控法中,比较成功的是美国林肯公司的表面张力过渡。弧焊电源工作于短路过渡方式,在CO2焊过程实时测量电压与电压变化率,弧焊电源在一个过渡周期内根据不同电弧电压值输出不同的焊接电流。STT弧焊电源将短路过渡过程细分为七个阶段加以控制,即:短路前燃弧期、液桥形成段、颈缩段、液桥爆断段、重燃弧段、稳定燃烧段、燃弧后期段,如图7-5所示。1
10、27.2.4弧焊电源的波形控制图7-5STT弧焊电源的电压电流波形137.2.4弧焊电源的波形控制 2.脉冲弧焊的电流波形控制常规MIG/MAG焊工艺,只有当焊接电流大于临界电流时才能得到稳定的喷射过渡,包括射滴过渡和射流过渡,然而临界电流往往比较高,不宜用于焊接薄板和全位置焊缝。为此,又发明了脉冲MIG/MAG焊法。该法可以将焊接电流平均值减小到5060A仍能获得稳定的焊接过程,扩大了MIG/MAG焊的使用电流范围。脉冲MIG焊工艺是一种焊接质量比较高的熔化极气体保护焊方法。它具有熔滴过渡过程可控,平均电流比GMAW焊喷射过渡的临界电流低,因而母材热输入量低,焊接变形小,适于全位置焊接,生产
11、效率高。脉冲MIG焊的熔滴过渡形式为:多脉一滴、一脉一滴和一脉多滴,其中一脉一滴是所有过渡形式中最理想的一种,要获得这种熔滴过渡形式,焊接参数之间的配合尤为重要。脉冲焊接参数多,除了电弧电压、送丝速度和焊接速度外,还有脉冲参数,包括峰值电流Ip、峰值时间tp、基值电流Ib和基值时间tb,如图7-6所示。147.2.4弧焊电源的波形控制 脉冲弧焊的电流波形:图7-6脉冲MIG焊的脉冲参数157.2.4弧焊电源的波形控制 (1 1)SynergicSynergic控制法控制法 Synergic控制法是英国焊接研究所发明的一种脉冲MIG焊电弧控制方法,是目前已发展的脉冲MIG焊控制系统中应用最为广泛
12、的一种方法。它解决了众多脉冲参数调节的不便,实现了脉冲MIG焊的单旋钮控制。其原理为:弧焊电源的外特性采用恒流特性,通过两条恒流外特性曲线的切换实现脉冲焊接,给定送丝速度,按照一定的数学模型来控制脉冲参数,使焊丝熔化速度自动与送丝速度相协调而保持弧长的稳定和最佳的熔滴过渡方式。其优点是随着送丝速度的变化,脉冲频率(或脉冲宽度)发生相应的变化,但该控制方法对送丝速度以外的因素引起的弧长扰动没有调节作用,因为它对弧长(电弧电压)的扰动而言是开环控制。167.2.4弧焊电源的波形控制 (2 2)脉冲门限控制系统)脉冲门限控制系统它是通过设立电弧电压的门限值来控制弧长,弧焊电源的外特性为“口”字形,如
13、图7-7所示。在脉冲与维弧期间均工作在恒流状态,而脉冲频率(即脉冲持续时间)由弧长的给定电压和实际反馈电压的偏差来决定。图7-7MIG焊门限控制法的电源外特性177.2.4弧焊电源的波形控制 (3 3)QH-ARCQH-ARC控制法控制法在脉冲焊接中,维弧若采用恒压特性遇到干扰时易于产生断弧,若采用恒流特性则容易发生短路。为了克服上述缺点,清华大学的潘际銮院士提出了双阶梯形外特性,如图7-8a所示。若将两条不同的双阶梯外特性快速切换,将形成一个方框形外特性,如图7-8b所示。图7-8 QH-ARC控制法a)双阶梯形外特性 b)方框外特性 187.2.4弧焊电源的波形控制 (4 4)闭环控制法闭
14、环控制法利用弧长信号闭环反馈控制脉冲参数,提出了一种弧长闭环脉冲MIG焊控制方法,该方法通过采样每一周期中脉冲的某个特定对应点的电弧电压作为弧长信号闭环反馈,调整脉冲参数(基值时间tb),实现对脉冲MIG焊的控制。为确保一脉一滴,预置单元能量(Ip和Tp)并设定Ib不变。这种方法有较强的抗弧长扰动能力,但送丝速度的波动引起过程不稳定。与此相对,Synergic控制法注意了送丝速度的影响,而忽视了弧长扰动的影响。两者结合产生了综合控制法。(5 5)综合控制法)综合控制法该方法综合了Synergic控制法和自适应闭环控制法的优点。电压和送丝速度的反馈信号均用于控制脉冲频率,而峰值电流和峰值时间的单
15、元能量恒定,以期得到一脉一滴的熔滴过渡。该方法弧长控制性好,焊接质量高,只要保证峰值电流Ip和峰值时间Tp满足一定的匹配关系,就能实现一脉一滴。197.2.4弧焊电源的波形控制 (6 6)中值波形控制法)中值波形控制法对于脉冲MIG焊工艺,一脉一滴是所有过渡形式中焊接质量最好的,此时熔滴的大小与焊丝直径相当,这可用一种新的脉冲电流的中值波形控制法来实现,如图7-9所示的三种中值波形形状,分别为:前中值、中间中值和后中值。图7-9 三种值电流波形a)前中值波形 b)中中值波形 c)后中值波形 2021 随着铝合金的广泛应用,近几年出现了有关铝合金双脉冲熔化极气体保护电弧焊(Double Puls
16、e Gas Metal Arc Welding,DP-GMAW)的新型脉冲波形控制技术。当前公认弧焊效果最好的实现方法是高频脉冲的低频调制。在送丝速度不变的条件下,使弧焊电源输出的高频脉冲电流具有两个不同的平均值电流IAV1和IAV2,第一群高频脉冲电流的平均值为IAV1;第二群高频脉冲电流的平均值为IAV2。这两个平均电流,按某一低频周期转换,由于平均电流值不同,使焊丝的熔化速度自然也按这一低频周期发生变化,从而获得了鱼鳞纹状的焊缝外观。这个方法就称为高频脉冲的低频调制。其中,高频脉冲电流是为了实现一脉一滴的熔滴过渡,而低频脉冲电流是为了获得鱼鳞纹状的熔池。由于低频脉冲电流IAV1和IAV2
17、的值不同,在弧焊过程中对熔池产生一定的搅拌作用,促使熔池中的气体排出,减少了焊缝中气孔的形成,进而提高了焊接质量,弥补了单脉冲MIG焊的不足。7.2.4弧焊电源的波形控制 3 3.双双脉冲弧焊的电流波形脉冲弧焊的电流波形控制控制22图7-10典型的双脉冲焊电流波形 典型的双脉冲电流波形如图7-10所示。图中TS表示强脉冲时间,TW表示弱脉冲时间。TBS、IBS(TPS、IPS)分别表示强脉冲基值(峰值)时间和电流。TBW、IBW(TPW、IPW)分别表示弱脉冲基值(峰值)时间和电流。目前,双脉冲波形控制技术在国外已经成熟,如奥地利福尼斯的TPS系列的弧焊电源,在铝合金焊接上取得了良好的工艺效果
18、。由于铝合金本身对扰动的敏感性较高,同时双脉冲焊的电弧长度按低频进行变换,因此,双脉冲焊铝对脉冲弧焊电源的控制性能要求更高,电弧控制性能的进一步提高对铝合金双脉冲弧焊是至关重要的。7.2.4弧焊电源的波形控制237.2.4弧焊电源的波形控制4 4.高速高速焊电流波形控制焊电流波形控制 高速焊与传统气体保护弧焊(GMAW)相比,最大的特点体现在弧焊速度上,目前比较成熟的单丝高速焊工艺,通常采用实心焊丝以CO2作为保护气体,即高速CO2焊。常规CO2焊的焊速为0.30.5m/min,高速焊可达14m/min,是常规CO2焊焊速的38倍。在保证弧焊质量的同时,大幅度提高弧焊效率。在高速焊中会出现一些
19、与常规速度弧焊时不同的问题,如焊缝成形差、咬边、驼峰,甚至不连续。正是这一因素的制约,其常规焊速不超过1m/min,一般焊速为0.30.5m/min。如何解决高速焊成形问题,是大幅度提高弧焊生产效率的关键。提高弧焊生产率的途径有两个:一是从工艺设备入手,二是从材料入手。T.I.M.E.焊就是从材料入手研制的新型高速弧焊方法。它是1980年加拿大人John church发明的,后来在欧洲和日本得到应用。它采用He(26.5%)、CO2(8%)、O2(0.5%)和Ar(65%)四元保护气体,通过大干伸长来增加熔化焊丝的电阻热,在连续大电流区间获得了稳定的旋转射流过渡形式,使焊丝的熔敷率比传统MAG
20、工艺提高23倍,达到0.43kg/min,这主要是靠加入He才获得良好的结果。24 为了解决高效MAG焊的我国贫氦问题,国内殷树言教授研究成功了纵向磁场的高效MAG焊,采用Ar+CO2二元混合气体或者Ar+CO2+O2三元混合气体保护,焊丝直径?1.2mm,干伸长30mm,这时送丝速度可达33m/min。其原理为:焊接电弧在纵向磁场的作用下,带电粒子的扩散运动或熔滴的旋转射流过渡将引起径向电流Ir,在纵向磁场作用下,将发生绕焊丝轴的旋转运动,同时产生圆周方向的电流分量Iw,如图7-11a所示。圆周电流Iw也在纵向磁场Bz作用下产生向心的作用力Fr,在焊丝端部的液柱上将使其向中心收缩。最后形成稳
21、定的圆锥形旋转射流过渡,如图7-11b所示。图7-11纵向磁场作用下的电弧行为7.2.4弧焊电源的波形控制25 在改变保护气体成分提高焊速方面,采用高速送丝、大干伸长和低氧化性气体,增强了熔池的润湿性,焊缝与母材过渡平滑,可在12m/min的速度下进行焊接而不出现成形缺陷。在弧焊设备方面则出现了双丝高速焊甚至多丝高速的MAG焊工艺。图7-12双丝焊弧焊电源a)单导电嘴b)双导电嘴 (1)双丝焊工艺的控制在开始进行双丝焊试验中,焊丝从一个共用的导电嘴送出,如图7-12a所示,试验结果表明弧焊效率并没有得到预期的提高。后来通过改用两个导电嘴时,如图7-12b所示,焊速得到了很大的提高。除了双丝高速
22、焊,还出现了三丝焊工艺。7.2.4弧焊电源的波形控制26 在双丝焊弧焊电源中,德国CLOOS公司开发了适于中厚板焊接的TANDEN高速双丝焊设备。它是将两根焊丝按一定角度放置在一个特别设计的焊炬里,两根焊丝分别由各自的弧焊电源供电,相互绝缘,两台弧焊电源的工艺参数可以独立设定,包括:送丝速度,焊丝的材质、直径,是否加脉冲等。正常条件下,利用其“1+12”的强大热效应,使焊速可以达到26m/min,熔敷率约为20kg/h。(2)多丝焊工艺的控制日本学者藤村告史开发了三丝焊方法。它采用同一个焊炬同时输送三根焊丝,各焊丝之间相互绝缘,可用药芯焊丝配合100%的CO2保护气体,也可用实芯焊丝配合80%
23、Ar+20%CO2保护气体。采用同一弧焊电源供电,如果弧焊电源和送丝系统不够稳定,则各电弧的电流和电压会不等,这样可能会使电弧失去自调节能力;此外,三根焊丝上燃烧的电弧之间存在强烈的电磁力,会造成电弧不稳,飞溅大,焊缝成形不好。为解决这一问题,藤村告史采用了电流相位控制的脉冲焊接方式,电弧在三个焊丝上轮流燃烧,可以保证电弧的挺直性,使弧焊过程稳定。另外,还可通过优化调节和匹配弧焊参数,改善能量分布,减小咬边、驼峰等成形缺陷,焊速达到1.8m/min。7.2.4弧焊电源的波形控制277.2.4弧焊电源的波形控制5.其他电流波形的控制新方法 (1)CMT法 冷金属过渡(Cold Metal Tra
24、nsfer,CMT)弧焊法(简称CMT法)是奥地利Fronius公司针对各种薄板焊接而开发的一种准确控制弧焊输入能量的短路过渡焊技术。普通短路过渡过程包括:焊丝升温熔化熔滴形成熔滴同熔池短路小桥爆断。由于在熔滴同熔池短路阶段电流突然急剧增大,导致能量积聚,并在小桥爆断时产生飞溅。而CMT法在此基础上,通过在短路阶段利用回抽焊丝使熔池与焊丝迅速分离,控制了电流增长速率,保证焊接在较小电流水平下进行,减少了焊接飞溅。CMT法过程如图7-13所示。图7-13CMT法过程287.2.4弧焊电源的波形控制 与普通弧焊方法相比,CMT法减少飞溅、提高焊缝质量的关键在于送丝与熔滴过渡电流的协同控制。把焊丝回
25、抽作为控制过渡电流的手段,将焊丝与熔池之间传统的爆断分离,通过对焊丝的回抽改为拉断分离,因此在短路过程热量输入低,弧焊接头的热影响区减小。CMT法弧焊能量为传统短路过渡形式的70%,可以实现0.3mm以上超薄板的焊接,不会出现熔池的穿塌,工件变形极小,熔滴过渡无飞溅。然而,尽管CMT法能以精确且超低的能量输入进行焊接,但是这一技术对送丝过程的过分依赖使得它对送丝系统的要求非常高,6070次/s的焊丝送进与回抽频率使送丝机的动态性能面临考验,而精密的送丝结构势必引起弧焊系统体积的笨重和价格的高昂,限制了CMT法在某些方面的应用;对于焊丝而言,70Hz的反复推拉也会使强度较弱的焊材在采用此方法时出
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