（材料加工工程专业论文）微机控制等离子弧焊系统研究.pdf

硕仁学位论文 摘要 等离子弧焊接是采用等离子弧作为高温热源的焊接方法，具有焊接速度快、 工艺参数调节范围宽、热影响区窄、焊接变形小等优点。在研究开发现代化的电 源和控制技术条件下，等离子弧焊技术是一种质量最佳、经济有效、重复性好的 连接工艺。 针对目前国内等离子弧焊接系统体积庞大笨重的现状，本文采用逆变电源， 控制系统采用单片机控制技术代替传统的模拟控制技术，设计出了一套微机控制 的小型化的等离子弧焊系统。主电路为两个逆变电源供电，控制系统以高性能单 片机8 0 c 1 9 6 k c 为核心，实现对焊接过程的自动控制。 文中阐述了等离子弧焊接设备的组成，并分析了各部分机械装置、气路、水 路、焊枪在焊接中的作用，以及各组件在设计中应特别注意的问题；同时针对硅 整流电源存在体积大可靠性差等问题，系统主电路采用两台逆变电源供电，这样 既便于电弧工艺规范的调节，又增强系统的稳定性。 详细阐述了所研制的等离子弧焊接系统中单片机控制系统的设计。分别就控 制器的选型、单片机最小系统、开关量输入输出电路作了详细的分析，并从软硬 件两个方面给予系统的阐述。同时，在等离子弧焊控制电路部分都进行了可靠性 与抗干扰设计。分析了影响等离子弧焊接设备正常工作的各种干扰因素，并在原 理图设计、p c b 制作、信号传输以及程序编制的过程中采取了相应的软硬件抗干 扰措施。 最后，对等离子弧焊接系统的各个组成部分进行了调试分析，并给出了在试 验过程中记录的照片。调试结果表明：所设计的等离子弧焊控制系统合理可行， 工作稳定可靠，操作方便，抗干扰能力强，能够实现等离子弧焊接过程的自动控 制。 关键词：等离子弧焊；过程控制；单片机 a b s t r a c t p l a s m aa r cw e l d i n g ( p a w ) i sa na d v a n c e dw e l d i n gm e t h o d ，w h i c ha d o p t sp l a s m a a r ca sh i g ht e m p e r a t u r es o u r c e i th a sa d v a n t a g e sc o m p a r i n gw i t ho t h e rw e l d i n g m e t h o d s ，s u c ha sh i g hw e l d i n gs p e e d ，n a r r o wh e a te f f e c tz o n e ，l i t t l ed e f o r m a t i o no f w o r k p i e c ea n ds o o n p l a s m aa r cw e l d i n gw i l lb e c o m eak i n do ft o p q u a l i t y , e c o n o m i c a la n de f f i c i e n tj o i n i n gt e c h n i c si nt h ec o n d i t i o n so ft h ea d v a n c e de l e c t r i c a l s o u r c ea n dc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep a ws y s t e mc o n t r o l l e db ym i c r o c o n t r o l l e r b e c a u s et h e e q u i p m e n to fp a wu s e d i no u rc o u n t r yn o wi sm o r eb u l k y , w ep u tf o r w a r dt h e c o n c e p t i o n o fr e p l a c i n gi tw i t ht h ei n v e r t e ra n da d o p t i n gs i n g l e - c h i pt e c h n o l o g y i n s t e a do ft r a d i t i o n a la n a l o gt e c h n o l o g yi no r d e rt od e s i g nas e to fm i n i a t u r e 飞k 瓯 s y s t e m t h em a i nc i r c u i ti ss u p p l i e db yt w op o w e rs o u r c e t or e a l i z ec o n t r o l l i n gt h e w e l d i n gp r o c e s sa u t o m a t i c a l l y , a na d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e r8 0 c 1 9 6 k c i su s e df o rt h e c e n t e ro fc o n t r o lc i r c u i t t h ec o n s t i t u t i o no fp l a s m aa r cw e l d i n gs y s t e m ，e a c hc o m p o n e n tp l a y e dr o l e si n t h i ss y s t e ma n ds o m eq u e s t i o n sb e i n ga t t e n t i o nt oa r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a i m e d a tt h es h o r t c o m i n g so fw i d e l ya p p l i c a t i o no fs i l i c o nr e c t i f i e rd o m e s t i c ，w h i c hm a k e s t h es y s t e mm o r eb u l k ya n d b a dr e l i a b i l i t y , t w oi n v e r t e rp o w e r s o u r c e sa r ei n t r o d u c e da s t h ep o w e ro fp a wi nm a i nc i r c u i t t h i sd e s i g n i n gn o to n l yg a i n e dc o n v e n i e n c eo f a d j u s t i n gp a r a m e t e r , b u ta l s oe n h a n c e ds t a b i l i t yo fs y s t e m t h ed e s i g n i n go fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea b o u tm c uc o n t r o l l i n gs y s t e m i s i n t r o d u c e di nd e t a i l e di nt h ep a p e r , b e s i d e st y p ec h o o s i n go fc o n t r o l l e r , c i r c u i to f s w i t c hi n p u ta n do u t p u ta r er e s p e c t i v e l ya n a l y z e d h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r eb o t h e x p a t i a t e ds y s t e m a t i c a l l y m e a n w h i l e ，r e l i a b i l i t y a n da n t i i n t e r f e r e n c ed e s i g n sa r e a l s oi n v o l v e di na l lp a wc o n t r o lc i r c u i t s v a r i o u sn o i s e sp r o b a b l ya p p e a r i n gi nt h e p a wp r o c e s s ，a sw e l la st h e i rm e c h a n i s m ，a r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y s u b s e q u e n t l y , i no r d e rt or e d u c et h e i rb a di n f e c t i o n st og r e a te x t e n t ，s o m eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e m e a s u r e sa r ea d o p t e dw h i l ed e s i g n i n gs c h e m a t i cc h a r t ，p c bb o a r d ，c o d et r a n s f e r r i n g a n dc o m p i l i n gp r o g r a mc o d e a tl a s t ，t h r o u g ho f f l i n ea n do n l i n ed e b u g g i n go fe a c hc o m p o n e n to ft h es y s t e m ， l o c a l ep h o t o s a r ea t t a i n e da n da n a l y z e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h e c o m b i n e dc o n t r o ls y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , 硕i j 学位论文 e a s yo p e r a t i o na n dr e l i a b l ep e r f o r m a n c e i tc a nm e e tt h en e e do fr e a l i z i n ga u t o m a t i c p a w p r o c e s s k e yw o r d s ：p l a s m aa r cw e l d i n g ；p r o c e s sc o n t r o l ；m c u m 微机控制等离了弧焊系统研究 图 图 图 图 图1 5 图1 6 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图6 1 图6 2 图6 3 插图索引 等离子电弧的形成2 等离子弧基本类型3 等离子焊接及穿孔示意图4 相同厚度( 8 m m ) 板材对接接头t i g 焊焊缝和等离子弧焊焊缝横剖面 形状对比5 不锈钢等离子弧焊焊缝的成形5 小直径管对接等离子弧焊焊缝外形5 等离子弧焊设备的组成部分。1 1 等离子弧的静特性与焊接电源外特性的关系1 2 单电源主电路1 3 双电源原理示意图1 4 等离子弧焊水冷系统图1 6 等离子弧焊气路系统图1 7 等离子焊枪模型及喷嘴结构1 7 等离子弧焊控制系统框图1 8 8 0 c 1 9 6 k c 内部结构图2 7 单片机复位电路一3 0 开关量输入电路3 1 开关量输出电路3 2 单片机控制系统主程序流程图3 3 手动燃弧子程序的流程图3 4 自动燃弧子程序的流程图3 4 熄弧子程序流程图3 5 干扰三要素：3 7 噪声对时钟信号的干扰3 8 隔离变压器4 0 电感滤波器的结构4 1 感性负载放电电路4 4 c l k o u t 波形。4 8 等离子弧焊行走机构与焊枪5 0 等离子弧焊逆变电源5 0 i v 硕l 学位论文 皇寡罾皇i i i ii i 一 , i_ i 曼曼曼舅舅 图6 4等离子弧焊系统控制系统p c b 图及控制板5 0 图6 5实际施焊焊缝5 1 v 微机拧制等离了弧焊系统研究 曼曼皇曼皇曼皇曼舅曼鼍曼曼曼曼皇蔓量i i i 曼曼皇曼皇曼曼曼皇皇曼皇曼舅曼量量璺 附表索引 表2 1等离子弧焊电源的性能要求及技术参数1 2 表3 1焊接工艺中延时的作用、调整范围及对质量的影响2 2 表3 2 工艺动作程序动作说明2 3 表4 1 扩展芯片地址表3 0 表4 28 2 5 5 端口功能表3 1 v i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：面雩鹚日期：2 叩年j 月功日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：两旁桴 别噬孙似 7 日期：2 哆年 醐：卞 3 旯韬日 j - n 日 硕 j 学位论文 曼量曼鼍曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皂曼曼曼皇! 曼曼曼曼曼寰皇寰曼舅曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇1i 曼蔓鼍曼皇量曼量舅 1 1 等离子弧焊的简介 第1 章绪论 等离子弧焊发明于1 9 5 3 年，英文学名为“p l a s m a a r cw e l d i n g ，即为p a w ， 由钨极氩弧焊发展而成，是该领域内的一项重大技术创新。等离子弧焊与原始的 t i g 焊相比，具有优质、高效、经济等优点，早在上世纪6 0 年代初已成功用于金 属制品生产l l j 。 近2 0 年来，等离子弧焊技术获得了进一步的发展，并成为现代焊接结构制造 业中不可缺少的精密焊接工艺方法。在工业发达国家，等离子弧焊已经作为一种 成熟的加工工艺和连接技术广泛应用于锅炉、压力容器、管道、航空航天器件、 石油化工装置、核能装备、饮料食品机械、制药医疗设备和测量仪表零件部件等 制造行业，可以焊接普通优质碳钢、低合金钢、不锈钢、镍基合金、铜镍合金、 钛、钽、锆及其合金和铝及其合金等金属材料，工业生产中的应用实例不胜枚举。 为充分发挥等离子弧焊方法的潜在优势，增强其工艺适应性，进一步扩大应 用范围，已开发出各种等离子弧焊工艺方法，如微束等离子弧焊、熔透型等离子 弧焊、穿孔型等离子弧焊、脉冲等离子弧焊、交流变极性等离子弧焊、等离子弧 钎焊和等离子弧堆焊等。 现代等离子弧焊技术已经发展到了相当高的水平，在许多尖端工业部门，已 被视作不可代替的精密焊接方法。当今，不锈钢和有色金属材料应用范围的不断 扩大，将为等离子弧焊开辟更广阔的天地，可以预料，等离子弧焊必将在现代工 业生产中发挥出愈来愈重要的作用。在相关制造行业大力推广应用等离子弧焊， 促进我国等离子弧焊设备的商品化规模生产，是广大焊接工作者面临的一项十分 紧迫的任务。 1 2 等离子弧焊的原理及特点 1 2 1 等离子体及等离子弧 由气体离解和分裂而成的自由电子和正离子以及部分原子和分子组成了具有 导电性的混合物质，在这种混合物质中电子的负电荷总数和离子的正电荷总数在 数值上是相等的，宏观上呈电中性，因而将它称为等离子体，是继气体之后的物 质第四态【2 1 。 获得等离子体的方法和途径是多种多样的，其中常见的有热电离、辐射电离 微 几摔制等离了弧焊系统研究 和放电电离，通常所见的电弧也是等离子体，但只把能量高度集中的等离子体称 为等离子弧，国际焊接学会对等离子弧已有确切的定义：“等离子弧是指使用机械 或电的压缩以造成收缩的等离子柱并能把高度集中的热量传送到小的表面面积的 电弧，该电弧可产生于电极与工件间( 转移型弧) 或电极与枪体上的喷嘴问( 非 转移型弧) 。根据定义可知，等离子弧柱共受到了三种压缩效应，一是机械压缩 效应，二是热收缩效应，三是磁收缩效应，如图1 1 所示。 卜电极2 一工作气体流3 一喷嘴4 一冷却水通道5 一等离子电弧6 一工件 图i i 等离子电弧的形成 ( 1 ) 机械压缩效应电弧通过喷嘴小孔时其弧柱因受孔道的限制而被压缩。 这种压缩作用称为“机械压缩效应”。 ( 2 ) 热收缩效应电弧周围的气流在靠近喷嘴孔道壁部分因受水的冷却作 用，温度降低，其电离度也随之下降，使导电性变差。这样就迫使带电粒子向温 度高的电弧中心集中，于是弧柱的温度和电离度进一步提高。这种因工作气流的 温度差而使弧柱受到压缩的效果称为“热收缩效应 。 ( 3 ) 磁收缩效应在受到上述两种压缩后的电弧中流过同一方向( 由正极至 负极) 的高密度电流，这种同向电流按电学的右手法则在电弧周围产生螺旋形磁力 线，反过来此磁场又对弧柱起压缩作用，而且电流密度越高、磁场的压缩作用也 越强，这种因电弧自身磁场所引起的压缩效果称为“磁收缩效应”。 此三种压缩作用的结果使等离子弧具有与普通自由电弧不同的特点：电弧能 量高度集中，冲击力大，温度更高，且电弧挺度好。 1 2 2 等离子弧的类型 等离子弧焊焊接电流回路的构成，通常是焊接电源、焊枪、被焊材料到焊接电源， 被焊材料与焊接电源相连，焊接电流主要在被焊金属表面流动，只有被等离子弧高度电 离和加热的等离子射流可以穿透小孔，如果等离子弧可以直接穿透小孔，接头熔深就可 以大大提高。 按电源连接方式，等离子弧基本类型有非转移型、转移型和联合型三种形式【3 1 ， 三种形式都是钨极接负，工件或喷嘴接正。如图1 2 所示。 2 硕卜学位论上 ( 1 ) 非转移弧电极接电源负极，喷嘴接电源正极，电源合闸后，有高频振 荡器或接触短路引弧，即电极与喷嘴之间引燃电弧，然后喷嘴中的离子气流将弧 焰吹出喷嘴，形成等离子焰流。这种非转移弧主要适合于导电性较好的材料焊接。 但由于电弧能量主要通过喷嘴，因此喷嘴的使用寿命较短，能量不宜过大，不太 适合长时间的焊接，这种形式较少应用在焊接。 ( 2 ) 转移弧电极接电源负极，喷嘴与工件都接电源正极。可以用一套电源， 也可以用两套电源。用一套电源时，在电极与喷嘴之间的电路中串联一个电阻， 以获得小电流下降外特性。转移弧的产生是先在电极与喷嘴之间形成非转移弧， 待等离子焰流接触工件，立即形成电极与工件之间的转移弧，同时切断非转移弧。 如果不是先产生非转移弧，要直接在电极与工件之间形成等离子弧是困难的，除 非超高压放电引弧，生产中不能采用。由于这种方式能将更多的能量传递给工件， 因此该形式电弧普遍应用到金属材料焊接和切割中。 非转移弧 商子气 父 v 高温焰流 a 】 高子气离子气 a ) 非转移弧b ) 转移弧c ) 联合型弧 图1 2 等离子弧基本类型 ( 3 ) 联合型弧工作时，非转移弧和转移弧同时存在。小电流焊接时，可采 用联合型弧，这有助于电弧稳定。 按电弧形状或成形原理分类，等离子电弧分为微束等离子、熔透型等离子和小 孔型等离子三种基本方法【4 1 。 微束等离子是在小电流( 一般在3 0 a 以下) 下通过熔透的方法进行焊接。通常 适用于焊接细材、箔件等，在传感器元件、电子器件、电机接头、网筛加工等运用 较为普遍。 熔透型等离子是在等离子气流较小，弧柱压缩较弱的情况下焊接，只对工件 进行熔透而不形成小孔的方法。这种电弧类似于t i g 电弧结构和能量，常用在薄 板的单面焊双面成形。 小孔型等离子则是利用等离子弧能量密度大和等离子流力大的特点，将工件 完全熔透并产生一个贯穿工件d , t l 的方法。小孔效应只有在能量密度足够的条件 下才能形成，被焊板厚增加，能量密度也要增加。但等离子能量密度的提高有一 3 定限制，因此小孔型等离子只能在有限的板厚范围内进行。通常情况下，碳钢、 不锈钢、镍基合会等在平焊位簧一次单面焊双面成形板厚小于8 m m ，钛合金板厚 小于1 0 m m 。采用特殊喷嘴和气体，不锈钢板厚可提高至1 0 r a m ，钛合金板厚达 1 2 r a m ，可以实现不开坡口情况下单面焊双面成形。结合弱弧等离子或t i g 的特点， 与小孔等离子效应结合通过采用双枪同时焊接的工艺方法，能够获得更高的效 率和质量。这种工艺适合长焊缝、大直径简体的纵环缝焊接。 1 2 3 等离子弧焊的原理 等离子焊接是通过高度集中的等离子束流获得必要的熔化母材能量的焊接过 程。一般均采用直流正接法( 钨棒接负极) ，有时还需填充金属( 焊丝) 。等离 子弧焊接实质上是一种具有压缩效应的钨极气体保护焊。 通常等离子电弧的能量取决于等离子气体的流量、焊枪喷嘴的压缩效果和使 用电流大小。普通电弧射流速度为8 0 1 5 0 m s ，等离子电弧的射流速度可以达到 3 0 0 2 0 0 0 m s ，等离子电弧由于受到压缩，能量密度可达1 0 5 1 0 6 w c m 2 ，而自由 状态下t i g 电弧能量密度为5 0 1 0 0 w r a m 2 ，弧柱中心温度在2 4 0 0 0 k 以上，而 t i g 电弧弧柱中心温度在5 0 0 0 8 0 0 0 k 左右。因此，等离子弧焊是一种高效、优 质、低成本的熔焊方法，己被焊接界公认为高能量密度的先进焊接法，与电子束( 能 量密度1 0 5 w r a m 2 ) 、激光束( 能量密度1 0 5 w r n m 2 ) 焊接同被称为高能密度焊接。 高的能源利用率必将使这种焊接方法占有更重要的地位，其技术经济指标也大大 优于传统的t i g 焊方法，应当不失时机地在各金属结构制造行业推广应用。等离 子焊接及穿孔示意如图1 3 所示p 】。 _ i 婵p ? 唧堑一 二鼙娶艘 豳臣薹z 捍缝 1 吼1 蕾匿臣焊缝 1 2 4 等离子弧焊的特点 等离子弧焊是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种新型焊接方法，它在很大程度 上填补了钨极氩弧焊的不足，与传统的钨极氲弧焊相比，它具有如下一些特点： ( i ) 等离子弧焊时，电弧的穿透能力强，可一次熔透8 r a m 以下的金属材料。对接 接头无需开坡口，节省丁焊前坡口制各时间，提高了焊接效率。图1 4 对比了8 m m 相 同厚度板材对接接头t i g 焊缝和等离子弧焊缝的横剖面形状，从中可见，v 形坡口对接 接头至少需要7 层，而直边对接的等离子弧焊只需单层焊，总的焊接效率可提高8 倍以 上。 _ _ - a ) t i g 焊焊缝b ) 菩离于弧焊焊缝 围14 相同厚度( 8 r a m ) 板材对接接头t i g 焊焊缱和等离于弧焊焊缝横剖面形状对比u 】 ( 2 ) 等离子弧的工作特性相当稳定，即使在相当低的焊接电流下( 如0 i a ) ， 燃烧仍十分稳定，可以焊接极薄的板材或微型零件。 ( 3 ) 等离子弧焊的焊缝质量优异，热影响小，焊缝成形美观，且焊缝质量的 重复性好( 见图l5 ) 。 巳，鼍豳 p 多 a ) 低台金钢b 、不锈钢管 图1 6 小直径管对接等离子弧焊埠缱外形【 迸 微机挖制等离了弧焊系统研究 ( 5 ) 等离子弧焊适用的焊接工艺参数相当宽，可以满足各种不同焊件的工艺 要求。在熔透型等离子弧焊中，等离子弧的稳定性基本不受弧长变化的影响，可 以达到高的质量标准，焊缝外形均整美观，如图1 6 所示。 ( 6 ) 等离子弧焊枪中的钨极安装在喷嘴内面，钨极尖端不外露，焊接过程中， 不会与焊件表面相接触而产生焊缝夹钨现象，由此延长了钨极的使用寿命。 ( 7 ) 等离子弧焊的能量利用率高，节省焊接填充材料，缩短焊接周期，使其 成为一种经济的焊接方法。 等离子弧焊的适用范围相当广，几乎可以焊接所有的金属材料，包括活性金 属和难熔贵重金属等。缺点是电源及电气控制线路较复杂，设备费用约为钨极氩弧焊 的2 - 5 倍，工艺参数的调节匹配较复杂，喷嘴的使用寿命短。 1 3 等离子弧焊技术的发展 等离子弧焊作为一种很有前景的焊接技术，已经在生产中得到了较广泛的应 用。近1 0 年来，等离子弧焊设备的技术水平有了很大的提高，尤其是逆变技术和 先进的工业计算机控制系统在焊接设备中的推广应用，使现代等离子弧焊设备步 入数字化、网络化的发展阶段【5 1 。 1 3 1 等离子弧焊电源的进展 等离子弧焊电源应确保等离子能量的稳定输出和焊接过程中喷嘴压缩电弧的 稳定。用作等离子弧焊的电源有：硅整流式直流电源、可控硅式直流电源和逆变 电源等几种。国内商品化的等离子弧焊设备多采用硅整流式直流电焊机作为电源， 不仅功率小、体积大、能耗高，而且可控性差，不宜实现自动化。晶闸管式直流 电源具有稳定的恒流输出、动特性好、响应速度快和电流调节范围宽的特点。 2 0 世纪8 0 年代以来，各种自关断器件不断涌现，功率开关器件的性能不断完 善、价格不断下降，各种功率器件的驱动、保护模块不断更新，弧焊逆变器从晶 体管弧焊逆变器发展到场效应晶体管弧焊逆变器，然后发展到i g b t 弧焊逆变器。 国际上著名的焊接设备公司，如瑞典的e s a b 公司，日本的大阪变压器厂1 6 ，美 国的m i l l e r 、l i n c o n 公司【7j 等等，都将逆变焊机作为主流产品。逆变电源与传 统的晶闸管式电源和晶体管式电源相比，具有以下的优点： ( 1 ) 高效节能。效率可达到8 0 到9 5 ，功率因素可提高到0 9 9 ，空载损耗极 小，只有几十瓦，这一点在能源紧张的今天，尤为可贵。 ( 2 ) 重量轻、体积小。这是逆变电源最明显的优点。主变压器的重量仅为传统 弧焊电源工频变压器的几十分之一，整机重量仅为传统焊接电源的1 5 到1 1 0 ， 整机体积也只有传统电源的1 3 左右。 6 硕 ：学位论义 ( 3 ) 动态响应时间短，控制速度高。这点是逆变电源的最重要的特点。普通晶 闸管弧焊电源的控制周期为3 3 m s ，而逆变式弧焊电源的动态响应的时间达到百微 秒级，和电弧焊接诸物理过程的时间常数相当，故能更精密地控制电弧焊中各种 物理现象。焊接电源的动态控制成为可能。 ( 4 ) 控制能力增强，显著提高工艺性能。逆变电源输出动态特性平滑，对各种 焊接方法、材料都能调节到最佳状态。在晶闸管电源中，依靠输出电抗器来调节 动特性，往往仅对某一种情况最佳，难以全面顾及。而逆变式弧焊电源的“电抗 器是一种电子式电流上升率控制，用一个电位器即可平滑调节，适应性增强。 逆变电源运用先进的功率电子器件和高频逆变技术，正在以极高的速度变成 今天主流的电源，并且随着功率开关元器件、微电子技术和控制技术的发展，不 断研究开发出新的技术成果和新产品，使得逆变电源向着高频化、轻量化、模块 化、智能化和大容量化方向发展【8 9 1 。逆变焊机由于它技术上的先进性和潜在的经 济价值，发展很快，应用范围很广，目前已成为国际焊接设备市场中的主要发展 方向。 1 3 2 等离子弧焊过程的自动控制 随着数字化技术日益成熟，代表自动化焊接技术的数字焊机、数字化控制技 术业已面世并已稳步地进入市场。三峡工程、西气东输工程、航天工程、船舶工 程等国家大型基础工程有力地促进了先进焊接工艺特别是焊接自动化技术的发展 与进步。工业制造对焊接自动化提出了日新月异的要求。我国焊接产业逐步走向 “高效、自动化、智能化 。目前我国的焊接自动化率还不足3 0 ，同发达工业 国家的8 0 差距甚远。从2 0 世纪末国家逐渐在各个行业推广自动焊来取代传统的 手工电弧焊，现已初见成效，可以预计在未来的1 0 年国内自动化焊接技术将以前 所未有的速度发展【1 0 】。 2 0 世纪9 0 年代，我国焊接界把实现焊接过程的机械化、自动化作为战略目标， 已经在各行业的科技发展中付诸实施，在发展焊接生产自动化和过程控制智能化， 研究和开发焊接生产线及柔性制造技术，发展应用计算机辅助设计与制造技术等 方面取得了长足的进步。 随着机械构件性能要求的不断提高，等离子弧焊的应用越来越广泛，同时对 焊接质量和生产效率的要求也在提高。因此，保证焊接产品质量的稳定性和提高 劳动生产率就成为焊接技术发展亟待解决的问题。由于诸多因素的推动，如焊接 冶金物理化学过程的复杂性、合理工艺的制定与实现、焊接质量的稳定性、应用 的灵活性、操作的安全性及经济性等，使得实现对焊接过程的自动控制、焊接工 艺制造自动化的需求越来越迫切，成为提高焊接生产效率保证产品质量的极其重 7 微机控制等离了弧焊系统研究 要的手段。另外，计算机技术、控制理论、人工智能、电子技术及机器人技术的 发展为焊接过程自动化提供了十分有利的技术基础【1 1 一l3 1 。 等离子弧焊过程中的控制问题主要包括焊接过程程序控制、恒定参数控制及 焊接质量控制等部分1 1 引。 焊接过程程序控制是指利用控制装置代替操作人员实现焊接过程的一系列程 序操作：通水、通气、引非转移弧、焊枪摆动、引转移弧、工作平台运动、焊接、 熄弧、焊枪停摆、平台停止、停气、停水等部分。操作时只需按下启动开关，整 个焊接过程按照预置的参数自动完成，大大降低了对操作人员的技术要求，减轻 了焊工的劳动强度，并能更好的保证焊接质量，提高焊接生产率。 恒定参数控制是应用比较广泛的控制手段。通常，如果在焊接过程中保证主 要焊接参数稳定，就可以保证焊接过程稳定并保证焊接质量。在等离子弧焊中， 需要恒定控制的参数主要包括：焊接电流、焊接速度和摆动频率等。恒定参数控 制是一个闭环系统，利用传感器直接或间接地检测出被控量的实际值，经比较器 与给定值比较，并根据比较的结果控制执行机构调节被控量，使偏差向减小的方 向发展，从而保证被控量在给定值附近变化【1 5 , 1 6 l 。 保证焊接质量的关键是使电弧与焊缝对中。随着焊接自动化的发展，焊缝自 动跟踪显得越来越重要。一般焊缝自动跟踪系统由传感器、信号处理器和执行机 构三部分组成，传感器检测到的信息，经处理后用于执行机构，适时调整焊枪与 工件的相对位置，实现焊接过程的自动跟踪。从传感器系统的结构来看，它是以 电弧( 焊枪) 相对于焊缝( 坡口) 中心位置的偏差作为被调量，以焊枪与工件的 相对位移量为操作量的闭环控制系统。当电弧相对于焊缝中线位置发生偏差时， 传感器能自动检测出这一偏差，输出信号，实时地调整其相对位置，使之准确地 对中。 等离子弧焊过程的控制由微机控制系统来完成。微机控制系统包括硬件和软 件，硬件是指微机本身及其外部设备，软件是指管理微机的程序以及过程控制应 用程序。硬件是微机控制系统的基础，软件是微机控制系统的灵魂。微机控制系 统是通过各种接口与焊接过程产生联系，并对焊接过程进行数据处理及控制【1 7 j 。 1 4 焊接过程程序控制方法 等离子弧焊工艺过程复杂，要控制的对象较多，包括转移弧电源、非转移弧 电源、工作平台、摆动机构、焊枪、水路、气路等。目前，国内现有等离子弧焊 设备多采用继电器逻辑电路或二极管矩阵逻辑电路作为程控系统。其程控系统元 件集成程度不高，体积庞大；接插件多，控制电路结构复杂，存在故障率高、可 靠性差和维修不方便等问题。并且，等离子弧焊工艺过程复杂，任何一个参数稍 8 硕i j 学位论文 有变化都会影响焊接质量【1 8 , 1 9 】。 为了提高焊接设备的稳定性、可靠性和工艺适应性，使焊缝向着更高的质量 和精密化方向发展，可编程逻辑控制器p l c 和微机逐渐应用于等离子喷焊及等离 子弧焊设备中，对焊接工艺参数和工艺动作程序进行控制，提高了自动化水平， 实现了焊接工艺的自动控制【2 0 _ 2 2 1 。 1 4 1p l c 控制焊接过程 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) 采用微电脑技术将继电控制 和计算机控制有机结合，用软件实现继电控制中的逻辑关系，从而克服了继电控 制中死接点的缺点，从根本上提高了系统的可靠性【2 3 1 。由于微处理器具有逻辑判 断、定时、计数、记忆和算术运算等功能，因此，用可编程控制器组成的系统不 仅结构简单、性能可靠，而且具有调节功能，既可控制开关量，也可控制模拟量。 可编程控制器作为一种新型工业自动控制装置，现在广泛地应用在单台设备的控 制和生产流水线控制1 2 引。 基于自动化技术在焊接中的应用和焊接发展的方向，以及p l c 具有操作简单， 寿命长，稳定性好，抗电磁干扰强等优点，适于在焊接中作为控制核心。等离子 弧焊过程控制是时序控制，其工艺参数多，工艺过程复杂，采用先进的p l c 电气 控制技术可简化操作，提高可靠性和自动化水平。目前国内的一些单位在焊接中 用p l c 为核心控制元件方面做了大量工作，如西北工业大学的多功能等离子弧装 置【2 5 1 ，天津大学研制的以p l c 作为自动控制核心的等离子弧焊机【2 6 1 ，上海交通大 学研制的p l c 控制等离子弧全自动焊机【2 7 j 等。 1 4 2 单片机控制焊接过程 单片微型计算机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 是将微处理器、存储器r a m 和r o m ，以及i o 接口电路集成在一块芯片上，构成单片微型计算机，简称单片 机。单片机除了具备一般计算机的功能外，为了提高实时控制能力，绝大部分单 片机的芯片上还集成有定时器计数器，一些单片机还带有d 转换器等功能部件。 由于单片机的i o 接口线多，位操作指令丰富，逻辑操作功能强，抗干扰性及适 应环境的能力强弘引，所以，特别适用于工业过程控制。它既可以作为主机使用， 也可以作为分布式控制系统的前端机。 在作为主机使用的系统中，单片机作为核心控制部件，用来完成模拟量和开 关量的采集、处理和控制计算( 包括逻辑计算) ，然后输出控制信号。特别是由于 单片机有丰富的逻辑判断和位操作指令，所以广泛应用于开关量控制、顺序控制 以及逻辑控$ 1 2 9 , 3 0 l 。用作等离子弧焊控制系统核心的有8 位单片机8 0 3 1 、准1 6 位单片机8 0 9 8 、带1 2 c 总线的单片机p 8 7 c 5 5 2 等f 3 1 , 3 2 l ，较好地实现了焊接过程中 9 微机摔制等离了弧焊系统研究 的程序控制，控制精度高，工艺稳定性好，能满足等离子弧焊过程的工艺要求。 1 5 本课题的设计方案及目标 通过对国内外等离子弧焊控制系统的分析和比较，以及研究其发展趋势，本 文决定采用单片机来作为等离子弧焊控制系统的核心，采用两个逆变电源作为系 统的电源，研制出一种小型化、逆变化的等离子弧焊系统。 本文完成以下几点设计任务( 目标) ： 1 、设计以单片机8 0 c 1 9 6 k c 为核心的控制系统电路，绘制出电路原理图与 p c b 布线图，加工出印刷电路板，并安装调试。 2 、设计多种抗干扰措施，保证控制系统能够在复杂的干扰环境中正常工作， 特别是在高频下能够正常工作。 3 、绘制控制系统的软件流程图，编写汇编语言程序代码编写出控制程序。 4 、对所设计的控制系统进行脱机与联机调试。 1 0 硕 学位论文 第2 章等离子弧焊系统 等离子弧焊设备的发展和在生产上的推广应用，是与控制技术的发展与完善 分不开的。等离子弧焊系统由焊接电源、单片机控制系统、机械装置、气路系统、 水路系统、焊枪等部分组成。各部分所包括的主要部件或电路如图2 1 所示。 图2 1 等离子弧焊设备的组成部分 设备的设计是以满足工艺要求为出发点，组成设备的各主要部件和基本电路 的性能，都将影响到焊接质量和工艺稳定性。在设计和制造时，应针对工艺要求 和具体情况，力求具有良好的调节性：长时间运行中稳定、可靠，抗干扰能力强， 调整、维修方便。 2 1 等离子弧焊电源 2 1 1 对电源性能的基本要求 根据等离子弧焊的工艺特点，对所配的焊接电源主要提出以下三点要求： ( 1 ) 焊接电源的外特性应为垂直陡降，以保证焊接过程中焊接电流的稳定不 变，图2 2 示出自由电弧和等离子弧的静特性曲线与电源外特性之间的关系。从中 可见，钨极氩弧焊自由电弧的静特性曲线，随着焊接电流的提高，其斜率不断变 化，且在低电流区斜率产生突变，与焊接电源外特性相交时不易达到稳定的工作 点。而等离子弧的静特性则不同，其在整个焊接电流范围内，曲线的斜率变化很 微机拧制等离了弧焊系统研究 小近似于一条水平线，因此，即使在很低的焊接电流( 如1 5 a 以下) 下，也能与 电源的外特性相交于稳定的工作点，即仍能保持电弧的稳定燃烧。这就是说，等 离子弧焊焊接电源首先应具有垂直陡降的恒流外特性。 矗) 翔 l 经甄f b ) 疆鳜电赈 图2 2 等离子弧的静特性与焊接电源外特性的关系p 1 ( 2 ) 等离子弧焊的工艺适应性大于t i g 焊，这就要求等离子弧焊电源提供更宽 的焊接电流调节范围。因此，等离子弧焊电源最好采用高精度的晶体管开关电源 或晶体管逆变式整流电源。 ( 3 ) 为确保焊缝质量的一致性，要求精确控制焊接电流，尤其是在微型器件的 微束等离子弧焊中，可能选用1 0 a 以下的焊接电流，在低电流下保持稳定的输出 特性就成为等离子弧焊电源的重要考核指标。 按照上述要求，对于大功率等离子弧焊，目前大都配用相应功率的晶体管逆 变整流t i g 焊电源或全数字控制t i g 焊电源，对于微束等离子弧焊电源，则需专 门设计和制造。 表2 1 等离子弧焊电源的性能要求及技术参数 项目性能要求及技术参数 输出直流，脉动小 外特性陡降 动特性喷枪引弧时冲击小 输出电流调节特性 平滑的调节，最小电流应不大于额定的2 0 输出电流稳定性 网压波动1 0 ，或温升变化，电流变化不应大于调定值的5 起始电流递增速率可在5 0 3 0 0 a s 内调节 熄弧电流衰减速率可在2 5 1 5 0 a s 内调节 因此，等离子弧焊系统转移弧电源应具有良好陡降的外特性和良好的电流调 节特性。在用纯氩气作为离子气时，电源空载电压需要达到6 5 8 0 v ；用氢、氩混 硕 学位论文 曼舅- - i _i i ii i ：i , 鼍曼鼍曼鼍舅曼皇量皇量 合作为离子气时，空载电压需要达到1 1 0 1 2 0 v 1 3 3 1 。为保证等离子弧稳定燃烧与焊 接质量，其对电源性能的具体要求及技术参数如表2 1 。 2 - 1 2 电源种类 常用的等离子弧焊电源有晶闸管、晶体管和逆变三种结构形式。随着逆变电 源技术的快速发展，逆变等离子电源具有电流输出特性好，网络补偿能力强，电 流可控性能好，计算机集成控制简单等优点，已成为等离子弧焊电源的首选结构 形式。等离子弧焊电源常用电流有3 0 0 a 、4 0 0 a 、5 0 0 a ，包括等离子主弧和维弧 电源两部分。维弧电源一般在2 0 a 以下【4 1 。在本系统中采用的是逆变电源。 2 1 3 等离子弧焊主电路 焊接主电路是指通过电弧电流的电回路【3 4 , 3 5 1 。等离子弧焊设备有采用单电源 和双电源之分，其主电路有区别。 ( 1 ) 单电源主电路 单电源是指非转移弧( 维弧) 和转移弧( 主弧) 共用一台电源。主电路的基 本形式如图2 3 所示。电源启动后，当控制非转移弧电回路通断的接触器j 1 吸合， 电源的空载电压加在钨极和喷嘴之间，借助高频脉冲引燃非转移弧。非转移弧电 流1 1 在水冷电阻r 水上产生的压降为1 1 r 水。当控制转移弧电回路通断的接触器j 2 吸合后，在电极和工件间的引弧电压u 2 为非转移弧电压u l 与r 水上压降之和，即： 喷 焊 枪 图2 3 单电源主电路 u ，一配+ 厶取，当u 2 达到一定数值，转移弧引燃。设计单电源主电路时，水冷电 阻r 水的阻值选定很重要。如果r 未偏大，其上压降大，消耗电能多，在焊接过程 中非转移弧电流小，但转移弧引弧电压高，有利于转移弧的引燃。如果r 水