專利名稱：一種脈沖mig焊接電弧的控制方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接方法和設(shè)備，特別是脈沖MIG焊接電弧的控制方法和用于實現(xiàn)該方法的控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
脈沖MIG焊方法，又稱為脈沖熔化極惰性氣體保護(hù)焊，熔化電極為焊絲，保護(hù)氣體的主體為惰性氣體，占總的保護(hù)氣體流量的80%以上。脈沖MIG焊的焊接電流采用脈沖電流波形，其目的在于可以在較低的平均電流下獲得優(yōu)越的熔滴射流過渡方式。焊接熔滴過渡處于射流過渡方式時電弧十分穩(wěn)定，無焊接飛濺，電弧熱輸入和穿透較強，焊縫成形很好，焊縫質(zhì)量較高。直流MIG焊要在焊絲的臨界電流值以上才能獲得射流過渡方式，脈沖MIG焊的峰值電流超過焊絲臨界電流值獲得射流過渡，但是它的平均焊接電流很低，廣泛用于對焊接質(zhì)量要求較高的合金鋼結(jié)構(gòu)焊接和有色金屬焊接，尤其是上述金屬的中、薄板結(jié)構(gòu)的焊接。脈沖MIG焊在維弧和脈沖期間分別采用什么樣的電源外特性對電弧的穩(wěn)定性影響甚大，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究。在維弧期間，因為維弧電流很小，如果采用恒壓電源外特性，當(dāng)擾動出現(xiàn)時會引起維弧電流變化較大，導(dǎo)致電弧熄滅或者維弧電流過大產(chǎn)生熔滴的大滴過渡方式，使電弧的穩(wěn)定性和射流過渡方式受到破壞。所以，維弧期間最適宜采用的電源外特性是恒流特性。在維弧期間采用恒流外特性的條件下，如果脈沖期間也采用恒流特性，電弧將完全喪失自調(diào)性能，電弧弧長將完全失去適應(yīng)性和穩(wěn)定性。所以為了使電弧獲得一些自調(diào)性能，在脈沖期間只好采用恒壓電源外特性。為了照顧到維弧期間燃弧穩(wěn)定性，維弧期間選擇了恒流電源外特性；由于使用了恒流特性，擾動導(dǎo)致弧長變化時維弧電流不變，這樣脈沖MIG焊電弧在維弧期間就失去了弧長的自調(diào)性能；在脈沖期間雖然使用了恒壓外特性，但是為了保證穩(wěn)定的熔滴射流過渡方式，脈沖電流變化量也不宜過大。所以，對于傳統(tǒng)的脈沖MIG焊電弧，維弧期間沒有自調(diào)性能，脈沖期間的自調(diào)性能十分有限，整個電弧的自調(diào)性能很差，當(dāng)擾動出現(xiàn)時弧長的穩(wěn)定性和適應(yīng)性較差。由于傳統(tǒng)的脈沖MIG焊電弧控制系統(tǒng)在原理上存在電弧弧長自調(diào)性能較差的缺陷，導(dǎo)致它在應(yīng)用中存在下列幾個嚴(yán)重的問題:第一、電源脈沖參數(shù)配置十分復(fù)雜，使用操作難度較大。針對某一焊接電流，脈沖MIG的電源脈沖參數(shù)設(shè)置包括維弧電流lb、維弧寬度Tb、脈沖電壓Up、脈沖寬度Tp、和送絲速度Vf。由于電弧的弧長自調(diào)性能很差，上述參數(shù)的設(shè)置必須很精確，使電弧在所設(shè)置參數(shù)下產(chǎn)生的焊絲熔化速度準(zhǔn)確等于設(shè)定的送絲速度，否則弧長會大大偏離正常范圍，甚至不能獲得正常的電弧。而且，除了獲得正常的弧長外，同時還要保證獲得熔滴的射流過渡方式，這就大大增加了參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)使用的難度。第二、電弧自調(diào)性能差，弧長受擾動時弧長穩(wěn)定性和適應(yīng)性差；由于弧長受擾動時，電流和焊絲熔化速度的變化量很小，電弧弧長的恢復(fù)能力很差，電弧的弧長穩(wěn)定性和適應(yīng)性很差。
第二、溶滴過渡穩(wěn)定性差。由于電弧弧長自調(diào)性能較差，弧長受到擾動時，弧長變化較大，恢復(fù)時間較長，恒壓電源特性提供的脈沖電流變化較大，當(dāng)脈沖電流小于臨界電流時，射流過渡方式受到破壞，產(chǎn)生大滴過渡方式。第四、改善電弧弧長穩(wěn)定性與改善熔滴過渡穩(wěn)定性互相矛盾。對于傳統(tǒng)的脈沖MIG焊接電弧控制系統(tǒng)，它的電弧弧長穩(wěn)定性和熔滴過渡穩(wěn)定性都比較差。而且，由于它的弧長自調(diào)性能是靠脈沖電流幅值的變化量來獲得的。但是，電弧受到擾動時，脈沖電流變化量越大，熔滴過渡穩(wěn)定性越差，因此，對于傳統(tǒng)的脈沖MIG焊電弧控制系統(tǒng)的控制模式，電弧弧長穩(wěn)定性的改善與熔滴過渡穩(wěn)定性的改善是相互矛盾的。針對傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的上述缺點，同行進(jìn)行了一系列研究，但是問題還沒有完全得到解決。研究工作和主要技術(shù)方案有下列幾個方面:a.針對電源脈沖參數(shù)配置十分復(fù)雜的缺點，開發(fā)成功脈沖參數(shù)與送絲速度的一元化調(diào)節(jié)系統(tǒng)。采用單片機專家系統(tǒng)為相應(yīng)的每一送絲速度Vf配置一組電弧脈沖參數(shù)，包括維弧電流lb、維弧寬度Tb、脈沖電壓Up、脈沖寬度Tp。每組脈沖參數(shù)都經(jīng)過工藝實驗來配置，使之在對應(yīng)的送絲速度Vf下獲得最佳的弧長和射流過渡方式。使用時只需調(diào)節(jié)送絲速度Vf，脈沖參數(shù)自動調(diào)出，實現(xiàn)了焊接參數(shù)的一元化調(diào)節(jié)，解決了脈沖參數(shù)人工配置十分復(fù)雜的缺點。但是脈沖MIG電弧焊其余三個問題依然存在，當(dāng)弧長擾動(如焊工手把抖動)時，電弧弧長的穩(wěn)定性差，熔滴的射流過渡方式容易受到破壞。b.為了避免或減少弧長擾動對電弧弧長和熔滴穩(wěn)定性的影響，一些同行研究成功焊槍高度控制系統(tǒng)，力圖避免或減少由于焊槍高度變化導(dǎo)致對弧長擾動。但是，如果弧長擾動不是來自焊槍高度變化，或 者當(dāng)焊接系統(tǒng)屬于半自動系統(tǒng)(焊槍人工操作，生產(chǎn)上應(yīng)用最為普遍)時，上述技術(shù)措施就完全失效了。c.在自動焊的條件下，比較容易做到焊槍與工件之間的距離不變。這時，當(dāng)弧長變化時，焊絲的干伸長度也伴隨變化；反過來，通過控制干伸長度，也就控制了弧長，因為焊槍與工件之間的距離不變，一些同行通過補償或控制焊接時的干伸長度來控制電弧長度。但是，在焊接過程中焊絲送絲的干伸長度是不容易測量的。由于焊絲干伸長度的變化會影響焊絲熔化率和焊接平均電流的變化，在平衡穩(wěn)定的焊接狀態(tài)下，焊絲干伸長度的變化會從焊接輸出電流的變化反映出來。以此作為焊絲干伸長度的反饋信號，對焊絲干伸長度進(jìn)行補償和控制。該系統(tǒng)將測試到電流平均值與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值比較，調(diào)節(jié)輸出值來動態(tài)改變峰值設(shè)定，將干伸長度上的電壓變化補償，從而保證電弧上的壓降不變。該焊絲干伸長控制和電弧電壓補償系統(tǒng)從原理上只可能用于自動焊系統(tǒng)(焊槍與工件的距離不變)。而且，由于焊絲干伸長的反饋信號來自焊接平均電流的檢測，系統(tǒng)控制的動態(tài)響應(yīng)很慢，難以獲得較好的效果。d.電弧電壓負(fù)反饋系統(tǒng)，將電弧電壓引入負(fù)反饋系統(tǒng)，期望消除或減少在擾動發(fā)生時弧長的變化。有些文獻(xiàn)也稱之為所謂的“弧長負(fù)反饋系統(tǒng)”，實質(zhì)上反饋量是電弧電壓，因為電弧電壓不代表弧長。一般電弧電壓取自焊接回路兩端，電弧電壓為:
(Jlu =A-+ri + E + k + aL
di其中，
ua電弧電壓；L焊接回路電纜電感；r焊接回路電纜電阻；1---焊接回路電流；Ea, ka，a電弧參數(shù)，均為常數(shù)；La電弧長度；從上式可以看出，在電弧電壓的檢測值中，有
權(quán)利要求
1.一種脈沖MIG焊接電弧控制方法，其特征在于:采用焊絲送進(jìn)速度信號的開環(huán)前饋控制方式和電弧長度信號的閉環(huán)負(fù)反饋控制方式共同控制脈沖MIG電弧的維弧寬度或脈沖頻率，以便保持焊絲送進(jìn)速度和熔化速度的動態(tài)平衡，并且在焊接電流調(diào)節(jié)、送絲速度擾動或電弧長度擾動發(fā)生時維持系統(tǒng)的電弧長度不變和熔滴的射流過渡方式不變，所述焊接電流通過送絲速度調(diào)節(jié)。
2.一種用于實現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的系統(tǒng)，其特征在于:通過切換階梯形電源外特性中恒壓特性段的給定值Ub和Up來獲得焊接電壓、電流的脈沖波形；通過將送絲速度的前饋控制信號Vf、電弧弧長反饋控制信號Ul和電弧長度設(shè)定信號La在比較放大器(21)中疊加后控制維弧定時器(17)輸出的維弧寬度Tb，實現(xiàn)送絲速度的前饋開環(huán)控制和電弧弧長的閉環(huán)負(fù)反饋控制；電弧弧長的反饋信號是這樣獲得的:維弧期間的弧長信號用運行在恒流電源特性下的維弧電壓表示，脈沖期間及其后沿過渡過程的弧長信號用脈沖發(fā)生前一時刻的上述維弧電壓表示；在維弧期間電弧運行在恒流電源特性下，電弧電壓Ua通過閉合的電子開關(guān)(23 )、電壓保持器(24 )和放大校正器(25 )形成弧長反饋信號Ul進(jìn)入弧長控制的比較放大器(21)，經(jīng)過校正放大器(22)后調(diào)節(jié)維弧寬度定時器(17)的輸出維弧寬度Tb ;在脈沖Tp及其后沿過渡過程期間，或門(26)獲得了脈沖寬度Tp及其后沿過渡過程期間的信號，關(guān)斷電子開關(guān)(23)，并切斷了電弧電壓信號Ua，電壓保持器(24)保持電子開關(guān)切斷前一時刻的維弧電壓作為該脈沖Tp及其后沿過渡過程期間的弧長信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于:用于系統(tǒng)閉環(huán)反饋控制的弧長信號的檢測方法是:以運行在恒流電源特性下的維弧電壓來表示電弧在維弧期間的電弧弧長，以脈沖發(fā)生前一時刻的上述維弧電壓來表示該脈沖及其后沿過渡過程期間的電弧弧長。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種脈沖MIG焊接電弧控制方法和系統(tǒng)，該方法和系統(tǒng)采用焊絲送進(jìn)速度信號的開環(huán)前饋控制方式和電弧長度信號的閉環(huán)負(fù)反饋控制方式共同控制脈沖MIG電弧的維弧寬度或脈沖頻率，以便保持焊絲送進(jìn)速度和熔化速度的動態(tài)平衡，并且在焊接電流調(diào)節(jié)(通過送絲速度調(diào)節(jié))、送絲速度擾動或電弧長度擾動發(fā)生時維持系統(tǒng)的電弧長度不變和熔滴的射流過渡方式不變。此外，還公開了采用所述方法和系統(tǒng)用于脈動送進(jìn)方式焊接控制焊縫熔深和成形的新工藝。
文檔編號B23K9/173GK103203530SQ201310149028
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月25日
發(fā)明者洪東升 申請人:廣州友田機電設(shè)備有限公司