脉冲焊工艺与设备

脉冲焊工艺与设备主要内容MIG及脉冲MIG焊接方法概述典型的脉冲MIG控制方法概述脉冲MIG控制过程分析与方案论证电源技术分析与方案论证其它相关技术问题工作进度讨论第2页,共89页，2024年2月25日，星期天MIG焊方法简述MIG焊是熔化极气体保护焊（GMAW）的一种。在惰性气体保护作用下，电弧产生在连续送进的可熔化金属焊丝与焊接工件之间。保护气体通常采用惰性气体Ar气或以Ar气为主要成分的混合气体（85%Ar+15%CO2）。第3页,共89页，2024年2月25日，星期天MIG焊过程控制的基本原理电弧的伏安特性焊丝的熔化特性电源的伏安特性弧长的调节特性送丝速度=熔化速度第4页,共89页，2024年2月25日，星期天MIG焊基本原理——熔滴过渡

焊丝在电弧的加热作用下熔化后以一定的形式过渡到焊接熔池中的过程成为“熔滴过渡”，熔滴过渡方式与焊接规范参数有关。短路电流（A）电压（U）射流短路颗粒颗粒射流第5页,共89页，2024年2月25日，星期天脉冲MIG的优点

射流过渡是一种理想的熔滴过渡模式，但是需要在较大的电流（大于临界电流）下才能实现，因此限制了应用范围。脉冲MIG利用脉冲电流方式，可以在较低的平均电流（低热输入）实现稳定的射流过渡，因此具有以下优点：

1、有利于薄板焊接

2、有利于全位置焊接

3、有利于使用粗丝焊接（粗丝送丝稳定性高）第6页,共89页，2024年2月25日，星期天脉冲MIG的关键技术与难点脉冲参数与送丝速度的匹配数字化技术解决的关键问题就是建立一个可以现场调用的数据库，即某一种焊丝（材料、直径），在一定的送丝速度下所对应的脉冲参数组合（峰值电流、基值电流、峰值时间、基值时间）脉冲模式下的弧长控制脉冲电流作用下的弧长也是波动的，如何保证弧长稳定，特别是在干伸长波动的条件下保证弧长稳定是脉冲MIG的主要控制难题第7页,共89页，2024年2月25日，星期天脉冲MIG与数字化的关系脉冲MIG的技术发展依赖于数字化信息处理的发展，而不是仅仅依赖于数字化电源技术焊接领域中数字化技术应用的主要成就之一就是脉冲MIG的实用化脉冲MIG的实用化关键是用数字化技术解决了复杂的脉冲参数与送丝速度之间的数据存储与调用（智能式控制）第8页,共89页，2024年2月25日，星期天脉冲MIG的弧长调节方式I/I控制方式脉冲的峰值和基值都为电流模式U/I控制方式脉冲的峰值为电压模式、基值为电流模式ACUU控制方式脉冲基值和峰值的初始为电流模式、之后转为电压模式第9页,共89页，2024年2月25日，星期天弧长调节的重要性

熔化极电弧焊接的稳定性核心问题就是弧长的稳定。良好的脉冲焊控制系统应该能够在焊丝干伸长较大幅度变化的条件下实现有效的弧长调节作用。焊丝干伸长变化的实况第10页,共89页，2024年2月25日，星期天I/I控制模式基于改变恒流源给定的脉冲控制方式——传统脉冲控制方式脉冲峰值的时间是固定的脉冲基值的时间是根据对一个脉冲周期内的电压信号采样平均值控制当弧长波动时，脉冲频率将随之波动由于是基于平均算法控制，所以对导电嘴到工件之间的距离控制的响应速度较低第11页,共89页，2024年2月25日，星期天I/I控制模式典型波形设定量：Ip，Ib，Tp，Vset调节量：Tb控制方式：V/F焊丝干伸长较长焊丝干伸长较短第12页,共89页，2024年2月25日，星期天U/I控制模式典型代表产品第13页,共89页，2024年2月25日，星期天U/I控制模式的设置菜单典型代表产品第14页,共89页，2024年2月25日，星期天ACUU控制方式Miller’sAccu-Pulse™PulsedMIGTechnologyTacklesExoticMetals,Provide15to20PercentImprovement,1YearPayback

第15页,共89页，2024年2月25日，星期天典型脉冲参数参考-11.2mm4043铝合金焊丝第16页,共89页，2024年2月25日，星期天典型脉冲参数参考-21.2mm5356铝合金焊丝第17页,共89页，2024年2月25日，星期天铝合金脉冲MIG焊接参数与熔滴过渡的关系如何实现一脉一滴的熔滴过渡？一脉一滴是由脉冲参数决定的：

(常数),也就是脉冲峰值电流与脉冲宽度的乘积为常数。n/11/11/n第18页,共89页，2024年2月25日，星期天脉冲参数与弧长的关系第19页,共89页，2024年2月25日，星期天脉冲MIG焊的熔滴过渡（铝合金）第20页,共89页，2024年2月25日，星期天脉冲MIG焊铝——双丝焊I1I2熔滴过渡电流波形第21页,共89页，2024年2月25日，星期天脉冲MIG过程的深入分析数字化仿真技术焊接电弧模型化电源数字化模型MIG数字化模型第22页,共89页，2024年2月25日，星期天MIG焊系统系统描述WeldingPowerSourceVAWireFeederWeldingArcWireFeeder第23页,共89页，2024年2月25日，星期天MIG电弧模型从实际到抽象Lt-wLa+-ContactTipLeWorkPiece第24页,共89页，2024年2月25日，星期天MIG焊系统的模型化从实际到抽象LcLa+-ContactTipLeWorkPieceWFSVAUoLoRo第25页,共89页，2024年2月25日，星期天电弧电压的分布CathodeArcColumnAnodeU－＋Uarc=Ucathode+Uarccolumn+Uanode第26页,共89页，2024年2月25日，星期天电弧伏安特性的数学描述Ui0RaLa+-ContactTipLeLdWorkPieceLt-wVoltAmpLinearizationpiecewiselinearity第27页,共89页，2024年2月25日，星期天电弧与电源的关系模型VoltAmpUps=UaUoIV-ACharacteristicoftheArcinGMAW

IntersectionUf

=k1+k2La+(k3La+k4Le)I第28页,共89页，2024年2月25日，星期天焊丝熔化速度模型

Le

=Lt-w–LaWMR=m1UdaI+m2Lek4I2第29页,共89页，2024年2月25日，星期天电弧弧长模型WMR——焊丝熔化速率；WFS——焊丝送丝速度。第30页,共89页，2024年2月25日，星期天MIG焊中个参数之间的基本关系电弧电压电弧电流焊丝干伸长电弧长度焊丝熔化速率第31页,共89页，2024年2月25日，星期天脉冲MIG过程的控制技术要点在脉冲电流作用下，焊丝的熔化速度会变化，因此脉冲MIG弧长控制的基本要求——保持弧长动态稳定，即弧长La满足：

0<La<Lt-w在焊接过程中动态调节焊接电流，动态地满足：

WMR=WFS弧长的控制调节方式第32页,共89页，2024年2月25日，星期天I/I脉冲MIG电压反馈积分电压设定积分第33页,共89页，2024年2月25日，星期天U/I脉冲过程波形第34页,共89页，2024年2月25日，星期天ACCU脉冲过程波形第35页,共89页，2024年2月25日，星期天脉冲MIG过程的控制原理（仿真）仿真工具：LAbVIEW第36页,共89页，2024年2月25日，星期天U/I及ACCU的优点脉冲频率固定脉冲频率固定对于双丝焊的协同控制是必要的，这也是CLOOS在双丝焊接方面技术优势的基础。弧长控制算法简单，利用了恒压电源的自身调节作用双丝脉冲MIG视频资料第37页,共89页，2024年2月25日，星期天U/I及ACCU脉冲控制的关键技术对电源的要求：平特性与陡特性的在线快速转换技术途径：利用电源的复合外特性控制技术

第38页,共89页，2024年2月25日，星期天如何解决电源的CC/CV特性转换了解电源外特性控制的基本原理分析现有产品的中实现方法从外特性变化到脉冲的关系第39页,共89页，2024年2月25日，星期天CC特性的实现一次电源都是恒压源（CV）二次电源实现CC采用电流反馈所谓电流反馈的实质是根据负载变化引起电流变化的大小和方向调整输出电压R1R2V1V2IVI1I2第40页,共89页，2024年2月25日，星期天CV特性的实现电流内环+电压外环是焊机中常用的CV方式采用电压反馈控制电流反馈的给定电流内环条件下所谓电压反馈的实质是根据负载变化引起电压变化的大小和方向调整输出电流R1R2V1V2IVI1I2第41页,共89页，2024年2月25日，星期天+HC-II系列电源外特性控制电路分析PI控制器电流反馈-PI控制器电压给定+电压给定电压反馈-

输出量第42页,共89页，2024年2月25日，星期天HC-II系列电源外特性曲线第43页,共89页，2024年2月25日，星期天HM系列电源外特性控制电路分析电压反馈推力控制量电流反馈电流反馈电流给定电流给定输出量推力给定推力限制第44页,共89页，2024年2月25日，星期天HM系列电源外特性曲线第45页,共89页，2024年2月25日，星期天电流内环+电压外环控制电路第46页,共89页，2024年2月25日，星期天优化的电流内环+电压外环控制电路电压外环电流内环第47页,共89页，2024年2月25日，星期天电流内环+电压外环控制系统的数学表达电流+电压双闭环控制系统传递函m——电压反馈系数n——电流反馈系数

第48页,共89页，2024年2月25日，星期天CCPOWERV-ACharacteristic恒流电源外特性曲线第49页,共89页，2024年2月25日，星期天CVPOWERV-ACharacteristic恒压电源外特性曲线第50页,共89页，2024年2月25日，星期天有最小电流限制的平特性电源

低压输出时的电源伏安特性第51页,共89页，2024年2月25日，星期天有最小电流限制的平特性电源

高压输出时的电源伏安特性第52页,共89页，2024年2月25日，星期天电压/电流复合脉冲电路原理第53页,共89页，2024年2月25日，星期天改变电压实现电流脉冲的原理Ip=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo（U=15+0.05I）第54页,共89页，2024年2月25日，星期天脉冲峰值时的电压/电流复合作用-△I+△LIp=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo第55页,共89页，2024年2月25日，星期天脉冲基值时的电压/电流复合作用+△I-△LIp=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo第56页,共89页，2024年2月25日，星期天电压/电流复合脉冲工作原理+△I-△I-△L+△LIp=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo第57页,共89页，2024年2月25日，星期天脉冲MIG对送丝机的要求高精度，要求送丝速度与脉冲参数之间的精确匹配高响应速度，实现高质量的引弧和收弧的必要技术手段数字化的AC伺服电机已经成为高档脉冲MIG的送丝驱动的首选电机因此目前认为：数字化焊机应该包括送丝机的数字化第58页,共89页，2024年2月25日，星期天初期实验方案快速实现基本控制思想（电流/电压复合控制）解决焊接参数的优化问题（脉冲参数与送丝速度的匹配）PCAD/DAI/O模拟电源AC伺服送丝机第59页,共89页，2024年2月25日，星期天产品技术方案框图PC嵌入式控制器DSP控制电源AC伺服送丝机实现完整的嵌入式控制数字化脉冲MIG焊机第60页,共89页，2024年2月25日，星期天数字化电源框图第61页,共89页，2024年2月25日，星期天数字化电源控制系统的基本算法变参数数字PI设计及程序框图第62页,共89页，2024年2月25日，星期天数字焊接电源系统控制芯片（DSP+CPLD）选择第63页,共89页，2024年2月25日，星期天数字化焊机操作面板几种形式LED方式LCD方式传统方式+上位机第64页,共89页，2024年2月25日，星期天Fronius

TPS系列控制面板——LED设置旋钮显示区材料选择操作模式选择第65页,共89页，2024年2月25日，星期天焊接条件记忆存储功能（最大可存100条）焊接模式的选择：用软触键设定焊接方法和焊丝直径，简便无误。用发光二极管指示设定结果，一目了然。

显示区功能键：软触键数字显示操作面板可以便捷地设定所有焊接相关功能而无需对电源内部进行复杂设置。用同一旋钮设定所有的焊接参数值，操作便捷电弧特性：可用电弧特性旋钮自由调节电弧硬度，根据作业内容和个人习惯设定最佳电弧状态。各种功能:备有初期电流设置、一元化电压调整，恒熔深控制等功能，实现高质量的焊接。预留模式：通过安装特殊软件追加焊接模式后，可以实现特种材料的焊接。OTCDP400第66页,共89页，2024年2月25日，星期天LEDPanasonic350GR3、500GR3第67页,共89页，2024年2月25日，星期天HD-500LED第68页,共89页，2024年2月25日，星期天CLOOSLEDLCD第69页,共89页，2024年2月25日，星期天大屏幕的液晶显示电脑化操作界面CLOOSLCD第70页,共89页，2024年2月25日，星期天LINCOLNPOWERWAVE455M/STT林肯焊机的操作面板很简单，几乎没有数字化的概念，但是它提供与上位机的联机功能和波形设计软件。所以说：数字化不一定体现在外观控制面板——传统形式+上位机第71页,共89页，2024年2月25日，星期天上位机功能是发展方向第72页,共89页，2024年2月25日，星期天高频逆变电源的实现60-100KHz的逆变电源在高档逆变焊机中已经成为一种主流，这主要是因为控制对机器响应速度的要求单管技术的崛起支持了高频化模块化、组合式支持了大功率第73页,共89页，2024年2月25日，星期天双单端组合的逆变电源目前实施中的ZX7-315主电路第74页,共89页，2024年2月25日，星期天关于交流伺服电机用于送丝机的问题交流伺服电机是目前性能最优异的电机之一，交流伺服电机的控制系统就是一个复杂的数字化控制器交流伺服电机目前主要用于数控运动系统，用于焊接送丝机不是可不可以的问题，只是是否经济合算的问题一台低档交流伺服电机价格相当于一台中档的焊机，因此用于送丝在一般的韩集中是有些承受不起，但是在高档焊机中，交流伺服电机已经开始应用主要是利用其高速的响应速度，快速停止，甚至反抽，是目前一些特殊焊接技术的必要支持第75页,共89页，2024年2月25日，星期天例如：CMT工艺的特征AC交流伺服马达在焊枪内非常迅捷改变送丝速度是实现CMT工艺的先决条件第76页,共89页，2024年2月25日，星期天CMT过程示意图t=0mst=4.59mst=6.21mst=7.56mst=11.34mst=13.23mst=13.77mst=14.31ms反抽焊丝是技术核心，交流伺服电机是个必需的第77页,共89页，2024年2月25日，星期天例如：精确控制引弧过程的方法引弧视频资料第78页,共89页，2024年2月25日，星期天高性能的薄板低电流焊接问题目标定位于：2mm铝板，50A有一定的技术难度，其难度主要表现在脉冲MIG不是解决此问题的最佳方式，因此与其说是难度，不如说是技术定位问题目前薄板焊接的技术前沿是：CMT，COLD-ARC等，其特点是控制短路过程（短路而无飞溅），而不是避免短路过程因此产品如果就是要定位于薄板低电流，那么应该调整到短路控制技术，而不是脉冲MIG第79页,共89页，2024年2月25日，星期天CLOOS的冷焊技术交流脉冲MIG第80页,共89页，2024年2月25日，星期天工作进度安排——项目内容电源（功率模块+控制模块）焊接工艺试验（参数数据库建立）操作面板（数据库的一元化使用及焊接时序）送丝机（使用交流伺服电机）焊接试验工作台（焊接参数数据库建立必备）联机调试第81页,共89页，2024年2月25日，星期天电源电源功率模块采用单管IGBT技术，设计工作频率60-80KHz，200A模块组合。工作时间第一阶段样机50工作日，第二阶段完善改进30工作日，第三阶段定性20工作日控制部分采用DSP或ARM，实现PWM的数字化控制。第一阶段样机60工作日（硬件30日、软件30日），第二阶段改进完善30工作日，第三阶段定型20工作日考虑到部分可并行工作，以上两部分合计180工作日（约八个月）第82页,共89页，2024年2月25日，星期天焊接工艺试验脉冲MIG参数的确定是一个大量焊接工艺试验的结果，由于送丝速度与脉冲参数之间不是线性关系，一元化调节是通过建立在大量实验数据基础上的插值算法获得，而插值算法的精度取决于数据量。如果按送丝速度每0.1米（一般在数字化焊机中的送丝速度的最低分辨率为0.1米）一个数据点，当送丝速度从2米到22米就需要有200个实验数据支持，这样的数据工作量太大。可以采用插值算法，以0.5米为一个数据点，这样就可以将实验数据量降低到原来的1/5。即使这样，对于一种焊丝（直径、材料）也要有40个点试验数据才能获得进行一元化调节插值计算所必要数据。而每个数据点要有至少4个参数（峰值电流、峰值时间、基值电流、基值时间或），假设有3种焊丝材料（钢、不锈钢、铝），每种材料三个焊丝直径（1.0、1.2、1.6），那么要求有3×３×4０＝360个实验数据支持。根据最理想的实验情况，获得一个点数据平均需要1小时（不含辅助工作、设备故障因素和数据后处理工作），通常一天最多能完成4个数据点的工作，360个数据点意味着至少要90个工作日，实际上考虑到设备因素（由于是与电源部分不是成熟产品），至少要按100个工作日计算。第83页,共89页，2024年2月25日，星期天比较完整的脉冲MIG焊接工艺参数内容第84页,共89页，2024年2月25日，星期天焊机操作面板焊机操作面板的核心就是建立一个由送丝速度控制的“一元化”调节控制器，由于前述送丝速度与脉冲参数之间非线性的，至少要集成360个实验数据点，而每个数据点中有至少4个数据，也就是说有一个上千个数据点的表格，这也就是为什么脉冲MIG一定要数字化的主要原因。换句话说：脉冲MIG焊机的电源可以不是数字化的，但是焊机的操作面板一定要数字化的。这部分的工作涉及到M