（电气工程专业论文）波型控制活性气体保护焊机的研制.pdf

北京交通大学硕士学位论文 ￥8 7 8 王9 7 波壁控糊活性气体保护爆机的研制 揍要 活性气体保护焊( m a g ) 作为熔化极气体保护焊 的种，它其有熔敷速度快、易予实现自动化、生产率 离等特点，短路过渡m a g 焊变形小、可以进行全位要 焊接，将短路过渡m a g 应用于高速焊接，可大大提高 焊接效率，但是短路过渡焊接存在飞溅犬、焊缝成形差 的闻题， 针对麟短路过渡爆接存在的闻题，本课题采 用了电子电抗器波形控制方案，短路电流以双折线上 井，建立了基于电子电抗器波形控制方案的逆变电源系 统，并改进了波形控制电路，电源经过谲试后工作可靠。 工艺实验表明，采用这种短路控制方式，可以有效的抑 制瞬时短路，焊接过程中凡乎没有大滴毪溅，而且熔滴 过渡均匀，爆缝成形妻子。 电子毫抗器波形控制方式中，波控毫参数壹接影 响了短路过渡过程的稳定性，为了寻找波控电参数对短 路过渡过程的影响规德，进行试验方案的设计，大大降 低了试验次数，经过试验找到了影响短路时阅、燃弧时 闽、短路餍期以及电流电压波形的敏感因子，为以压波 j b 京交遥丈学硕士学使论文 控参数的选择提供了参考，随后利用试验褥到的娥律， 进行了大量的工艺试验，确定出了不翔的电滤规范下的 各良靛最佳波形控制匹配电参数。 利用所研制的电子电抗器波形控制逆变电源系统进 行了m a g 短路过渡焊接工艺的研究，设计工艺实验方 案，研究了电疆、短路电流的上升速度、燃弧电流的。f 降速度的变化对短路过渡过程波形和焊缝成形的影响规 律，并对规律进行了分析。 最后，对熔化极气体保护焊主电路，程序电路等进 行了设计，完成了一台波型控翻熔纯极气体保护爆的研 制i 关键词活性气体保护爆，短路过渡，波形控制，瞧子 电抗器 。蕊赘懑丈学硕士学位论文 d e v 戤l o p 瞪聪to f 伪v ec o n t r o l 土e d a c t i v e g a sm 嚣1 a la r cw e l d l n gm 匪c 释文b a b s t r a c t m a gi so n eo f t h et e c h o l o 萄e so fa 唬a wi th a s 聪v a m 8 9 e so f q u l c k 龟螽。玛a u t o m a l i z a t i o 晦h i g hp 翔d u c t i v 廷矿m a gs h o n c i r c u i t i n g t f a n s f 醯a l s ob a st h ea d v a i l 惦g eo fl o wd i s t o f t i o na n dc a nb eu s e di n a l l 呻o s i t i o nw e l 啦n 岛随垂蹄e e dw e l d i n i tc a ni m p 蜘et 量l ew e 陵n g p f o d u 砸v i t yg 结a l l yb u t 糖ep b l 嘲so fl a r g es p 撇e ra n db a d f o r m a t i o no f w e l db e a dl i m i th i su s a g e ， i no r d 嚣t of e s o l v et h ep f o b l e m so fm a gs h o r t - c i r c u i t i n g t r a n s f b r r i 溉m i sa 瓶d ee l e c 缸说h 髓c t o rw a v ec o n t r o l l e dp f o j e c t w 勰p u t f o 州a r d ，璩城sp 嘲e c t h ec u 瞅瓣w 8 sc o 嫩r o l l e d t or i s e i n d o 曲l e s l o p e ，a ni n v e f t c ra n a i o gp o w e fs y 蛙e mw a sd e v i s e db a s e di n e l e c t r o n - r e a c t o rw a v ec o n t l 瞄l e dp r o j e c t t h ew a v ec o n t r o lc i 删至t w a si m p f o v c d 弛ep o w e rs o u r c ew a sa d j u 髓e da f l dc o u l dw o r k r 瑚皿l l ya c c o r d i n gt ot 沁t e c h n o l o g ye 】( p 嘶m e n 拇，啦ss h o r t - c i r c u i t i n g c o n t f o l l e d p m j e c t e 撕r e s t i 嘶l lm g a n t a n e o u ss h o r t - c i r c u i t i n ge 最赋i v e l y 1 1 1t h ew e l d i n gp f e s si tl l a sb i 挚d r o ps p a t t e f 3 北京交通大学硕士学位论文 s c a r c e l yd r o p l e t 仃a l n s f e l t e du n i f b r m l ya n d 虹 l a dg o o dw e l db e a d f o r m a t i o “ i ne l e d f o n - r e a c t o rw a v ec o n c f 或l e d p f o j e c t ， t h ee l e c t r o n p a f a m 醯e ro fw a v ec o n t r o le 珏b c lt h es t a b i l 建yo fs h o r t c i r c u i t i n g t r 勰s f e fd i r e c 畦yi no 国e rt o6 n dt h ee c t p “n c i p l e ，w eu s e o f t h o g o n a lo p t i m i z 嫩i o n t od e s 主g nm ee x p e m e n tp 嘲e c tt h e o 孵m i z a l i o nc a nd e c r e a s et h ee x p 盯i m e 眦n u m b e r 缪删yb yt h e e x p e f i m e n t sw ec o u l df i n dt h es e n s i t i v ef a c t o rw l l i e hc a ne f 诧c tt h e s h o 娃一c i r c u i t 也n e ，抽m i n gt i m e8 i l ds h o r t _ c i r c u 建i n g 扼船s f e fc y d e 确i sc o u l d 沁l pu st oc 蠡o o s et h ew a v ec o n t f o le l e c t r o np 砌e t e fs o a c c o f d i n gt ot h i sp 纛n c i p l e ，m a n yt e c h n o l 啦拶e x p e m e n t sw e f ed o n e t 0 6 n d t 沁b e s t p a f 锄e t e r c o m s p o 戚n g t o m e 删唧t w eg h 王d i e dt h em a gs h o f t c i r c u t i n g t r a n s f e r w e l 妇1 9 t e c h n o l o g yb yt h ei n v e r t e rp o w e rs o 棚_ c et h a tw ed e v i s e d w es t u d i e d t h ep r i n c i p l et h 鑫t i l ev o l t a 喀c ，t h es p e e do fs h o f t 吒i f c u i t i n gc u r r e n t i n c r e a s e 柚d 抽f 藤n g 眦d o c f e a s ee 腕c t e d 证ew 8 v ea n dw e l d i 撞g b e 8 df _ o 托n a 土i o 珏 a tt h ee n do f i 暇sp a p e f ，aa 沌删a r cw e l d i n gm 鑫c h i n ew a s d e s i g n c d ，i n c l u d em a i n c i r c u i t 鑫n dp f o c e c 睡f ec 主f c u i t ， 叠 yw o 胎s ：m a g ； s h o r t c i r c u i t i n gt f a n s 勋； w a v e c o n t f o l l e d ：e l e c t 阿n f e a c t o f 4 北京交通大学硕士学位论文 1 课题背景 第1 章绪论 焊接技术是现代制造工业的一种纂本生产手段，在当今世界 的工业和科技发展中占有举怒轻熏豹地位，被广泛的应用机车和 车辆制造、造船、航天航空、工程祝械、石油化工设备、农机和 动力极械等部门。一个国家的焊接技术发展水平已经成为一个圜 家工激和科学现代倔发展豹标志，反映了一个国家的王业技术和 科技的水平。 在各种焊接技术中，熔化极气体保护焊( 固麟w ) 的到了迅速 的发鹱，g m a w 是以歇冲m a g 栅g 及c o ：气体保护焊为主要 代表，由于焊接区的保护簿单、方便，而且是明弧焊，熔效率是 手工邀弧焊的2 4 倍，生产搴商，易于进行全位置爆帮实现自 动化和机械亿等等优点，因此无论是m a g 烬，还是c 0 2 焊都愈 来愈得到重视，并在各个行业得至日广泛豹廒熊。随着现代优生产 的发展，熔化极气体保护焊在焊接生产中将占据越来越重要的地 位。 熔化极气体保护焊豹熔游过渡方式主要有短路过渡、滴状过 渡、射漉过渡等形式。m a 僦0 2 焊以短路过渡为主，短路过渡 过程常常倍随藩飞溅。短路过渡是一个不断熏复的燃弧一短路一 燃弧的过程，焊缝的熔化过程、熔滴过渡过程和熔池行为都发生 7 北京交通大学硕士学镣论文 周期性的改变，负载变化较大，在应用中存在蓍飞溅大、熔深浅、 焊缝成形蓑的阔题，这是避一步推广该技术所需克服的一一个突出 阏题。国内豁的焊接王佟黉擞了大量的研究工作，从焊接材料角 度研究，采用药芯焊丝，以解决应用中存在的阍题，随羞焊接电 弧物理知识的不颟丰富和宠营，以及人们对短路过渡过程的认谖 的深入，开始从送丝方式、电流波形控制角度等方面进行研究， 照是无论逶过焊接瓣辩还是送丝方式去解决，虽然有较好的效 果，但是都增加了焊接成本和设备费用，唯有通过电流波形控制， 在装改变焊接瞧源输擞豹情况下，克服了它的缺点，所以波控法 弓| 起了国内外焊接工作者的极大兴趣，其核心的思路是针对短路 过渡过程中的不同时刻对电参数有不弱要求，来提供合适的电流 宅压波形，以减小飞溅，改善成形。p $ m a g 短路过渡所使用的眩源，在5 0 年代主要健磺旋转直 流焊枫，其动特性不好，6 0 年代由于半导体器件的发展，出现 了变羝器抽头式硅二圾管熬流焊枫鞠磁放大器式熬流焊机，7 0 年代扔，出现了晶簿管整流焊枫，这张可控硅焊机，是一种半衽 式得接电源，可以舞瞬外特锻控割，改善了工艺性鼹，键是控潮 方式单一，工作频率低，响救速度慢，难以艉决上述阏题。随蓉 电力魍予技本、控制技术、半导体器锌技术和磁性元件躲长足的 进步，八十笨代发展纛成熟的逆交技术，出于其工 笮频率高，使 毫源其有嶷好的动态响应聿耋能，为改善焊接工艺性提供了良好的 条俘，可对短路过渡过程进行糟续的控制，辩瓣逆交电源具有体 积小、重量轻、离效节熊、适应性强的特点，成为焊接电源技术 8 北京交通大学硕学位论文 的发展方囱。1 6 ，q 1 2 课题理论意义与应用前景 熔化搬气体保护焊工艺中以短路过渡型式应用最为广泛，在 焊接过程中如累产生大量的金属飞溅，不仅浪费了大擞的金属， 降低了熔敷率，恶优了焊王的工作环境，增加了焊螽清理工件的 工作量，降低了生产效率，蕊且飞溅降低了电弧的稳定性，严重 影响了焊接质量。在粗丝大壤流焊按时尤其严重。短路过渡c 0 2 电弧焊工艺的另一缺点是焊缝成型差，主要表现为焊缝表颟不光 滑，熔深浅，焊缝成型窄丽态，容易出瑰未熔台的焊接缺陷。如 果这燕缺点不解决好，将在很大稞度上限髓g m a w 的应用范圈， 制约了它在工业生产中的推广和成鼹。 随蓿对焊接电弧物理研究的深入，人们对短路过渡过程的认 识有了较为深入的认识，妇躅l l 为为短路过渡的熔滚过渡示意 贝见殳殳殳 嚼卜1 短路过渡的熔漓过渡 豳，以下先篱单的介绍一下焊接的短路过渡过程，分析飞溅产生 豹机理和抑制方法。 9 北京交通大学硕士学位论文 在短路初期，如图1 1 a ，熔漓和熔泡之间形成小桥，由予 其直径很小，电磁收缩力的作耀将阻碍熔涛过渡，所以此时应抑 制电流的上升，使其保持在一较低值，以利于熔滴在熔池表面摊 开，如果此肘电流上升太快，将会使燔滴排开或使小桥爆断，形 成孵时短路，产生大滴飞溅。下一阶段如图1 1 b ，当熔滴摊开 厨，使电流迅速上升，以加速形成颈续。此后如图1 一l c ，为减 小短路飞溅，应使簸路峰值尽w 能小，所以后期的咆流上升速度 应减小。而农燃弧翦问如图1 1 d 、图l 一1 e ，为了改善焊缝成形， 应提态燃弧能量使得熔滴在较大电流作用下，魄弧浴熔漉扩张， 减小了电弧对熔滚的排斥作用，有利于减小飞溅和熔滴平稳过 渡，改善焊缝成形。癜以上的分析，在短路过渡过程中的不同时 刻对电参数有不弼要求，波形控制法所要输如的波形必须满足这 些要求，才熊实现小飞溅_ 和无飞溅的焊接。辑9 l 针对镶路过渡的特点，利用逆变电源工作频率离，响应速度 快的特点，邋过控制电路实现对短路过程不同阶段电流变化波形 控制，由子逆交电源输出涸路时间常数小，动态响应能力好，本 课题采用电子电挠器撩制方式，只要傻电流给定信号接一理想的 设定赧线上升，就可以使短路电流按同样规律变化，从而得到合 理的短路墩流波形。蠢予短路_ 稻燃弧h 重，对电流的波形要求不同， 短路对执行短路呶子电抗器，燃弧时执行燃弧电子彀抗器，采用 了电子电抗器分状态控制。 ( 1 ) m a g 焊这种弹接方法不仅其有熔亿极气体保护辉的 熔敷速度快、易于实现自动他、生产率薅等特点，而且由于保护 j 京交遥大学硕士学位论文 气氛中加入了活性气体后，较m i g 焊电弧燃烧稳定，增大_ 电 弧的热功率，改善焊缝筏形，成本也比m i g 爆成本低，阉时短 路避渡m a g 焊其有变形小、可以进行全位置焊接的优点，医院 推广短路过渡m a g 焊具有很大的现实意义。 ( 2 ) 将短路过渡m a g 应用于高速焊，提怒焊接效率。随 着全球制遗工业豹发展，竞争越来越激烈，为提离产品的竞争力， 各公司坚挎不懈地寻找降低生产成本、提离生产率的新技术，传 统的焊接方法已缀不能满足翻蘸增长的生产效率需要，追切要求 改进獗有焊接工艺或出现新的焊接方法以掇商焊接效率，也就是 所谓豹焊接商效化。在本谋题的研究过程中，麓利咫所研制的电 子电抗器波控焊桃进行了荦丝离速焊方酾的工艺实验研究，实验 条件为，板材为厚1 6 m m 耱集装籍板，焊接速度1 5 w m i n ，保 护气为混合气8 0 缸、2 0 c 0 ，。图1 2 为通过汉诺成分析仪测 黎焊接电流、电压波形图，电压电流大小为u = 1 7 7 v ，l = 2 0 4 a ， 圈l ，3 为焊缝豹横截碾躅。 图1 2 短路过渡m a g 高速焊电流电压渡形圈卜3 高速烊的焊缝裁面图 j k 京交通大学硕士学位论文 1 。3国内终研究蘧状及榻关技术进晨 随着电力毫予技术的发展耪微机技术的广泛应用，以及避几 年逆变技术瓣不断进步和完善，使应用多参数可控的商逆变频搴 ( 3 0 k h z 以上 焊接电源成为可能。商逆变频率极大埯提蔫了的动 态响应，网时秘用微处理器方便、灵活和精确遗挎涮性能，使得 较铡短路过渡懿飞溅方法由仅靠输出电感薰控制电流波形的简单 波控，发展成对熔滴过渡过程豹不瓣时刻进行分段电流波形控制 的精细波形控制，极大蟪减少了短路过渡的烟雾穰飞溅量，波控 法被不断的发塍丰富起来，鼹前波控法的发展具有控制的精细 化、控制的徽巍缳和控制的智旋化三个特点，这将是波形校翱法 的发展的趋势。 波形控制的波形种类很多，如短路整加受躲冲电流、电子电 抗器分状态控糊法、能量控翩法、外特性控斛法以及s 髓法等 等。每个阶段采闵不同的电流电压波形以减小飞溅。这些方法共 同的鼹点魑，擞掇短路过渡过程中的不同时刻对电参数的不同要 求来提供合逶的邀流、电压波形以减小飞溅。 以下将简单的介缀几种国内外关于波控法的控涮方案。 13 1 传统韵控辅方法 在焊接潮路中串联一个怒黪，是改善弧焊赧源动特性的行之 有效的方法。该方法是通过电感来限制短路电流上舞速度d i ，文 2 托京交遵大学硬士学位论文 以及短路魄流峰值l 一，并且露感在短路期间储存豹能量在燃弧 期放出，有勃于增加燃舔髓壁，对获得良好的焊缝成形有利。其 电流、电糕波形见图1 4 o f o 圈 一传统液控法电流电压波形 该方法设备简单，可以达到控制液态金属小挢爆断能基的目 的，能将短路过渡豹飞溅鬃从l o 2 0 降到l 蝴以下。椴据对 短路过渡各参数的分拆表明，电感值的太小嚣要根据爆接拜重的要 求丽加以诞整：使用缩群丝时应选用较小的电感，糨焊丝时应选 用较大的电感，燃弧时闻长( 对焊缝成形要求较高时，通常需要 较长的燃弧附闻) 时需要较大的电感，燃弧时闯短时需要较，j 、的 电感。 传统的电感都是肖级调节酌，丽旦体积大，无法实现焊接电 源输出特性的遗速变化，若电抗值不熬反面会恐化焊接效栗，敢 这种方法的调节精度和适用范围有一定的局限，北方法难以兼顾 j b 京交通大学硕士学位谂文 短路过渡过程两个阶段对奄漉大小的要求，因此只8 在一定程度 上减少飞溅，但不莪实现少飞溅蘸至无飞溅的焊接。 针对传统波形控耧的不足，国内有学者对传统的波形控制避 躅卜5 负脉冲诱导波控法电流电压波形 行了改进，如黼1 5 所示，它遴过微机控制，在熔滴短路耨闻迭 抛负电流脉冲。这种撩制方法负脉冲的施加时阏b 、脉冲孵闻a t 帮黥j 巾瞩僮a i 均霹调，参罴a t 和n i 实质上是一种翻孀电子控制 的手段改变衄r d t 约方法，是传统调电感方法的延伸，藤t 。的调 节在一定的程度上已其芎精缨波形授铡懿澈义，毽楚它使用豹是 可控硅熬流电源，冤法实现电源输出特馁的快速变化，控制方法 属于开环控制，预先设计的奄流波形难以与电弧各个阶段同步一 致，蔽魏难以对短路过渡豹各个阶段进行实时的最德控制。f l 氇” ，3 2 外特性控制方法 由于短路过渡过程务阶段需要不同的电源外特性，针对特定 1 4 北京交通大学硕士学位论文 阶段，定时切换电源外特性，纂予这种思想产生了外特性控制法。 o 图1 6 双除梯形外特桂 双阶梯形钋特性控制见图l 。6 ，其控制豹核心思想在于采羽 恒流麓电源，通过奄弧电压撩铡燃弧麓璧， 三l 特定的双阶梯形夕 特瞧，来解决慑流源与等速送丝配合时的弧长自调节闯题。这种 方式的控制系统简单、易于实现。根据采集的电弧电压确定电弧 豹特征，采矮不闵的反馈方式眩基、电流受反馈及其缀合) ，控 制p w m 发生器的脉宽大，j 、，从丽获得不同外特性。它的不足之 处在予缺少毫感的储能终鲻，燃弧期问的熊量有限，不利乎进一 步改善焊缝的熔深与成型。 复合雏特性控制这种控制方法对短路过渡烽接魄弧中的燃 弧、短路瞬间、液耩豹颈雅、破段以及电弧重耨弓l 燃等各个阶段 进行闭环控涮。电源多 特性跫由沁平黼上7 羧不同斜率的夕 特 性段组成的1 条复合外特性，电源输出特性与短路过渡焊接电弧 的状态是自适应的，使焊接电弧的各个阶段都受到最佳的辨特性 控制。当熔潺与熔泡发生短路时，电源输出小的电漉，让熔滴在 1 5 i t 京交通大学硕士学位论文 熔漶表露镶展，耱止发生瓣闻短路飞溅。当熔滴在熔池表西铺震， 形成稳定豹短路液桥后，电流以较大的增长率增加到适当的短路 峰馕电流，形成缩颈。到短路液桥收缩的赢期及破龋前夕，短路 电流迅速降低，液轿在小电流下破叛，减小液桥破断时产生的飞 溅。当液桥酸断，电弧重燃的同时，电源输啦熔深控制特性，产 生较强的燃弧脉冲电流，增加燃弧能麓和熔深，熔深控毒4 特性的 作用聪闻掰根据熔深豹要求进行调节和颚制。在燃弧脓冲过后， 电弧囊动地遴入弧长检测和控铡状态，使电弧长度和熔滴大小受 到控制。l 璁”1 哪 ! ，3 3 能景控制法 躅1 7能量控制电流电厦波形 国外毒学者采用能量控制法，见图1 7 ，这静方法的核心思 想在予通过电源输出合适的电流、电遥波形，控制熔滴的能缀， 以达到减小飞溅的目的。其输如波形熊基值泡流较小，瘸子维弧 1 6 北京交通大学硕士学位论文 并使焊丝末端均匀熔化：熔游与熔池接触短路舂誊后，电流被限制 在某一数值，并持续段时阏( 0 2 l6 m s ，可调) ，馒焊丝可 靠地插入熔滤：稳定之螽，电流除跃，然局以一定的斜率上升到 峰值，保持峰僚一小段时间，使得小桥在电弧力作用下颈缩弗迅 速熔断，根据不同的规范，电漉峰值和上升斜率均霹调；电弧重 燃石，电流从峰值缓降，其时间可调( o 5 25 m s ) ，以增加燃 弧的能量，改善焊缝成型；此后氡流阶跃回到基值，完成1 次熔 滴过渡的熊爨控雠。髓量控制法需要电源霄很快的响应速度，满 足波擦参数豹精确控潮。 “ 1 3 4 表面张力过渡法( s t t 法) o 气：- 0 r 图卜8 表面张力过渡( s t t ) 波控法电流电压波形圈 1 9 9 3 年美国林青电气公司推趱利尾表面张力控靠9 熔濂短路 过渡( s t t 法) 电源，其基本思想是自前苏联宾丘克等人在8 0 年代初期提出来的，采用检澳i 燃弧期阅电弧电压下降信号，用于 1 7 北京交通大学硕士学位论文 控制焊接电流，与波形控制耦结会，兼颞短路过渡的前期和后期 飞溅。s w 技术的关键在于检测液体小桥怒否产生了缩颈，并 选择了短路初期和液体小桥产生缩颈霜适时提商回路阻抗，以降 低电流，便于蝰滴的液态金属在低熊爨状态下在熔池的铺展。依 靠熔池的表箍张力促使液体小挢发生断裂，使熔潦脱离焊丝送入 熔池。在过渡完成后，加大电流等离子助难脉冲，以使焊丝迅 速回烧，大患流扩展了弧柱和斑点，加大了电弧的加热菰豳，使 熔敷金属能铺展开，有利于改善焊缝成形，随着将电流褒减至纂 值电流。其波形如图1 8 ，它的熔潞过渡精分为小桥形成段( t ；吨) 、 基值电流毅( 计，) 、颈缩段( t ：q ，) 、钷量减少段( t ： t 。) 、脱离熔池 段( ，) 、等离子助推段( t ，气) 和豳复阶段，共7 个除段。 另外，s t t 技术的另个重要且全新的特点趋焊接电流与 送丝速度无关，因丽可以在大幅发减少飞溅程烟尘的同时更好地 控铜热薰的输入，褥到合适的熔深鄹宠箍的背西成形。s t t 法 焊接时的搭桥能力菲常强，但是它的控制参数多，蕊且规范较小， 焊接电流最大也不越过1 6 0 a ，因此它只箍适合于打底焊。“制 1 3 5 脉冲渡彩囊遥藏控嗣 1 8 北京交逶大学硕士学经论文 爨卜9 脉冲波影自适瘦控制波形餐 该方法对短路过渡焊接过程中熔滴形成、长大、短路过渡、 电弧复燃等一系列环节采耀最佳魄流、电压控制，并通过微机自 动检溯短路电弧的动态过程，潮别其状态，确定檑应的电流、电 疰输出，其控巷i 波形见图1 9 。 一个完整的熔潞过渡周期分为均一他阶段、短路趣流抑制阶 段、熔滴形成阶段、熔漓整形阶段、熔漓过大防止阶段和熔滴短 路促进阶段6 个阶段。h 榭 3 5 餐熊攘籍 焊接电弧有非线性、时变性，难以建立精确的数学模型。丽 智能控制邋过神经网络、专家系统、模糊控制等技术无霈建立糖 1 9 托京交通大学硕士学位论文 确的模型，凭岱专家经验对参数进行合理选择，对系统实现最佳 控制，霞本跫最早将此技术实用化、箍晶化的国家之一，英墩流 波形觅强1 1 0 所示。 o 图1 1 0 智能控制电流波形图 图中商7 个可控参数，其中短路峰值电溆i 。、短路峰德毫 流持续时润t s j 、电弧燃烧对阍t a o 、彀弧霆燃射瓤的电流i a p 、基 值电流i a 8 等5 令参数是遴过智能控制来实现预赣阪控制的。这 麓参数值的确定需经逶大鳖的工艺试验得到它们楣对予飞溅餐最 小的优化值，然籍将最傀燕存予c p u 中，实际控制中融静能控 制器掇据实验褥刭的这些最佳值确定动态控制进程。 由以上可见，为解决熔漓短路过渡的飞溅与焊缝成形问题丽 发展起来的波控法，愈来愈显示出冀灵活性秘方便惶，波控法瓣 优越性将睫赣更搿逆变颓攀的弧焊电源的出现得到更大程度的体 现。h 帆2 l & 京交通大学硕士学位论文 1 4 本谍葱研究泡褰 1 i ，渡骺控铺电路擞g 绎机电路设计 对波形控潮m a g 焊机的电子电抗嚣根据短路和燃弧的不同 阶段采用分时电子电抗器控制。辩主电源，波形擦制电路，程序 电路，保护电路，驱动电路，送丝机电路等进行了设计。 t 4 2 波形攘翩电路豹改进 由于域蠢的短路过渡m a g 焊接蠢源采羽了电子电挠器分状 态控制方式，通过分别切换短路帮燃弧两个状态下电源的特性来 实现对焊接过程的控制，它存在在短路向燃弧切换外特性时，电 流波形不柔顺，有一个阶跃f 降值，其波形示意如强1 1 l a ，影 响了焊接过程韵稳定，对燃弧期闻的电弧糍纛也有定程度的影 图卜l1 电子电抗器分状态控制电流渡型圈 2 l 蹩。讼 北京交通大学硕士擘能论文 晌 覆本课题研究中，将对波控电路进行改进，使得短路和燃弧 终特性控翩电路设计在一起，清除短路囱燃弧过渡时的墩流突然 下降现象，实现电流波形的柔顺过渡，稳定烬接过程，它的波形 示意潮如图l ，1 1 b 。 1 4 ，2 设计实验方寨、分斩耄鑫暴 如图1 1 1 b 所示，针对这种取斜率毫子邀抗器波控方式，它 的波控电参数有短路初期的电流保持时间短路彀流阶跃值i ，、 短路电流上舞斜率k 、燃弧下降速度鹣，对予不阏规范，要获 褥最佳的焊接工艺效采，其上述凡个波控电参数都有所不疑，所 以为了获得最佳豹焊接效果，需要敲一定鲍工艺试验，寻找不同 规范下各自最佳的波形参数鞭配，增强焊税在备秘规范下的适用 性，罨找各参数之间懿关系规律。 4 3 短路过渡瓢g 群不同规范最甓渡搂瞧参数的麓定 在对短路过渡过程豹凡个主鬟波控媳参数遴行分析之后，在 不同规范设定下进行大量的工艺实验，慎重的选择最敏感墩参 数，确定不同规范下最佳工巷效果的波控电参数。 l e 京交通大学硕士学位论文 第2 章电子电抗器波形控制 黼焊机电路设计 逆交式焊机的工作频率为2 0 i z 左右，工作周期为5 0 ps 左右，电源其有良好的动态响应能力。m a g 焊短路过渡的频率 一般为数十赫兹，属期为数毫秒，远低于逆变电源的工作频率， 所以逆变电源满足针对短路过渡不同阶段的不同特点分别予以精 确控制的要求，从瓶有效豹减小飞溅。铮对短路过渡豹特点，利 用逆变电源工彳乍频率高，响瘦速度抉的特点，电源审联小输蹴滤 波电感，通过控制电路辕豳合适舶电流变化率，即采爆电子电摅 器的控制方式，本谋题采闵电子电抗器控制方式，实现对筑路过 程不嘲阶段电流变化波形控制。p l 2 1 电予毫摅豢波形控麓方案 为了短路过渡钓波形控制，需要控割短路电流豹变化，取电 流反绩。为此，先分析蜒流式逆变电源的动态性熊，如圈2 1 为 抠流逆变电滚酶结构图。( 2 一1 ) 圈2 一l 恒流逆变电源的结构图 ，f ，) 北京交通大学硕士学僚论文 k r + b k k l + s ( 2 一1 ) r + b k 公式f 2 1 ) 中，b 为反馈倍数；k 为误蒺放大倍数；l 为输出 滤波电感( h ) ；r 为皤路电阻( 囝；铲l ( r + b k ) 。 由于短路和燃弧时，对电流的波形要求不同，短路时执行簸 路电子电抗器，燃弧时执行燃弧电子电抗器，采用了咆予电抗器 分状态控制。即短路及燃弧分状态控制法，其结构如豳2 - 2 蹶示： 短路蹬定 燃讴设定 醋2 2 逆变电予电抗器波控搏机分状态控铡稚圈 2 ，1 1 短路整嬲 在短路阶段，采用晦环彀流反馈，由于邀交电源输 豳路时 阕常数小，短路过渡焊接中的电流波形类似予斜坡信号，所以延 迟时闻很小，即电流反馈环可以看做一个比例环节。只要使电流 绘定信号菝理想的设定曲线一升，就可以使短路电流按弼样规 律变化，从纛樗翔合理的短路电流波形，由此可觅，短路电流波 意l j e 京交蘧大学硕士学位论文 彤发峰值电流主要鞋； 控制嘏踌决定，适当地调节嘏予电挠器的大 小，可以使短路峰值电流较小，有效地减小飞溅，实现短路状态 电子瞧抗器控铡。 其控制思路海当短路发生后，电流并不立即上舞，丽楚滞嚣 一段时婀，此酵熔滴可以柔顺的与熔池接触并摊开，然后短路电 流迅速巍线上升，充分希j 用电磁收缩力，促使形成颈镶，之慝电 流汾一斜率较小的宣线缓升，则可以在较低的短路峰值电流情况 下发生小桥爆颧，减小正常短路飞溅，郯为短路电流的双折线波 形控制方褰。如图2 ，3 为实际焊接波形，实验表明，采用这种短 路控制方式，可以有效的抑铡瞬时短路，焊接过程中几乎没有大 滴飞溅，两强熔滴过渡均匀，频率较商，焊缝成形好，表瓤清洁， 勿需清理。 t i m “l 鹳2 3 短路波形图 柏俳辟椭粥黼m。 托京交道大学硕士学位论文 2 1 2 璐讴擦铺 在燃弧阶段，通常m a g 焊都采用等速送丝，为僳涯弧长的 稳定，要求毫弧具有自身调节作用，故燃弧阶段电源应具有恒压 特性，这可由慑流源外搬魄压反馈环构成，因此燃弧阶段采糟了 电流电压双环反馈控制，既保证了电源的恒压特性，又使输出电 流受控于外环彀流给定，为了提高燃弧麓量，改善焊缝成形，采 用电子电抗器的控铡方式，控制电路中加入一个积分环节，移传 统焊机传输匾数形式完全相同，适当调节参数，可使它们的燃弧 阶段动态性究全檑溺，通过对积分器的参数调节，实现对电流下 降速度的控制，从露实现燃弧状态豹旗子毫抗器控翘，其结构如 图2 。4 所示。 魄f 圈2 4 带电子电抗器的恒压电源结构图 l ( 1 k 2 8 2 r ( 2 * 2 ) 坠乳 一“ 击 一一 坠魄 北京交通大学硕士学证论文 式( 2 _ 2 ) 巾，u 为给定电压( v ) ；u 为输出电压；k ，、k 2 为 放大髂数；r 为电弧等效电阻；b ：为反馈放大系数；k 为积分 环节时间常数。 公式( 2 ，2 ) 表明，该系统为惯性环节，改变时闻常数，就可l 丛 改变电流的变纯速度，英作用就如阕调整输出围路串联铁磁电 感，越朝为燃弧阶段的电子电抗器 传统晶阐管整流焊橇中，铁磁电抗器在短路时贮存熊量，在 燃弧时释放能量，起到调节能量分配的作用。丽逆变电源工作频 率高，铁磁电感小，蹶以贮能作用也缀小，燃弧阶段豹能量完 全出电源从电潮获褥并实时供给。 实际上，短路和燃弧是密不可分的掰令部分，两者糨甄作用， 共同决定着熬个焊接逑程的工艺憔。燃弧能量的大蠢、不但影响者 熔滴程电弧的形态，丽且影响短路过渡i 钓难易，所以影响飞溅的 大小，而短路时闻的长短及熊鼙的大小，不识影响飞溅，藕且还 影喻燃弧帮短路的能量眈铜，从两影噫弹缝成形。 一般来说，我们蓑橥撮商燃弧能煞，以利于熔滴过渡和改善 焊缝成形，所以，燃弧阶段酌魄源动将性应使毫流下降较缓。颟 不同的焊熊煮径对应韵最佳短路毫流上舞速度各不穗网，所以短 路时的魄源动特性应适当调，本课题采雕的怒改变短路电流双 折线上升的方式实现短路阶段动特性的调节。阻 北京交通大学硬士学位论文 2 2 电源设计 2 2l 电源躺总体设计 匿2 5 电源原理框图 电源的总体结构见上圈2 _ 5 耩示。三相工频交流电缀三相整 流模块的全波整流，把交流电变成妻流电，再经过滤波变为平稳 的真流电，输入递交电路。离缢赢流电遁过电力电子器件的开关 作用和高频交藤器的黼离与降压，变为2 0 k l z 左右籁率豹低电压 大电流交流电，之后荐采用超快恢复二极管模块对电源进行二二次 a c d c 整流，二次整流后缀电感滤波变成低电压、大电流输出。 可见，逆交式焊接电源送行了薅次a c 一的熬流，一一次a c 的 2 8 北京交遵大学硬士学位论文 逆变环节。 电源在短路阶段通过电流采样构成个恒流特性的曦源，在 燃孤阶段，恒流源加电压盼反馈环，实现电源的憾流加恒压特性， 整个电源透过电流采样构成一个恒流特性的电源。电源的奄压幂l 泡流采样均采用霍耳传感器，使控制电路与输出豳路隔离，提高 了控制电路的挠干扰熊力，保证控制系统的稳定工作。焊接电源 豹输出功率可以通过控制电力电子器传的开关时闻比率柬调节。 逯常有脉冲宽度调制帮脉冲频率调制灏神方式，本课题电源的控 制方法采瑁脉冲宽度调制( p w m ) 方式，使焊接电源的动态品 瓒大幅度挺高，保证了焊接矮量。驱动咆路是功率开关器件i g b 下 可靠工 乍的重甏保诞，本电源的驱动电路采用i g b t 专蠲驱动器 e x b 8 4 1 ，其关断时糍极施姻反压、过流后降压延迟关断等特点 撵赢了l g b t 的运行可驻饿。 22 2 电源的生电路和控潮惑路设计 2 2 2 1 想漂主电路设诗 电源主电路主要鑫三个部分缝或；初级熬滚滤波电路、逆变 转换电路、次级整流滤波魄路。如圈2 6 联示。 j b 京交通大学硕士学位论文 圈2 6 电源主电路原瑾蹋 奠核心为主要由双管豹l g b t ( v l 、v t ，) 组成酌莲变电 路，它组成了半桥逆交方式，半桥电路拓手卜结构本身其蠢锻强的 抗变压器偏磁能力，三楣3 8 0 v 工频交流电缀三相整流桥的全波 整流，把交流电变成赢流电，再经过电容的滤波作用变为平稳的 簦漉电，商箍矗流电通过电力邀予器件的搿关作用耨藤频变压器 的隔离与降压，变为2 0 糊戡左右瓣频攀的低电压大电流方波交 流电，再经过快恢复二极管整流，使用越快恢复二极管模块降低 了二次攘流环节的损耗弗减小了副边短鼹效应对i g b t 的电流冲 击，之后再经过电感和电容滤波作用变为低电压大电流的袁流电 提供给焊接电弧负载。焊接电源的输出功攀霹以通过控制电力电 子器彳牛的占空比来潺节，通过输国毫流采榉或电压采样形成蠲嚣 谖节，可以构成务种电源外特性，适合于各式焊接负载。 主电路中的半桥遵变器工作原理，当一瓣功率开关管均截止 时，则在容量檑等的c 。、c 2 中点的电压为辕入奄联的一一半，当 北京交通大学硬学使论文 v t ，激励导避，电容c ：通过v 扎和中频变压器的一次绕组放电， 同时电容c ，通过输入电源和巾频变压器的一次绕缀充电，电容 中点电位在充放电的过程中鼙指数规律下降。v 气导通终了接蔫 是一对晶体管都截止豹时期，此时每个开关管承受豹电压都接近 埝入电压的一半。当激励导通，与上类似，c ，被救媳c ：被 充电，电容中点鼹位呈指数嫒律上升。v b 导通终了，双管又共 同截止，如此反复遁断工作，其中功率开关管由导通转为截止的 关断过程巾，漏感弓 起褥突峰电氍被二极管箝位，保护了功率器 件。 中频变压器上施拥的瞧藤幅傅只有输入电压的一半，欲得到 帮全桥、攥挽式逆变电路程同的输蹬功率，功率野关管必须滤过 嚣倍豹电流，因此一般半桥式只袁获得中等容量的输崮。僚怒半 轿电路由一个极其重要的特点，具有抗不平衡链力，所以获得了 广泛的应用。p 2 2 2 2 电源控制电路设计 电源的控制电路系统霹分为、状态判新电路、波形控制电路、 绘定甑路、程序控制电路、保护电路、送丝调速和驱动电鼹四大 北京交通大学硕士学位论文 部分，控制系统的总体设计和控制过程如阁2 7 联示，备部分详 细的工 乍缀联将在以下章节中进行介绍。 2 2 3 波形控斓电路 浮抢歼关 绘定 火日填 电艉绘 设定 焊接电 给定 火【：l 填 电流给 裎 序 控 制 电 路 送气开，关 气阀 圈2 7 焊机控制电路撰 短路过渡波形控制电路包括状态判断电路、内环电流反馈靛 制、外环电雁反馈、短路波形控制帮弓l 弧脓冲产生电路。 2 2 3 1 短路燃蠹波形控锈魂籍 如图2 8 所示为短路和燃弧时的波形控制e 权路。 j 京交通大学硕士学位论文 图2 8 短路，燃弧波形糟制电路 2 2 3 1 状态翔断毫路 由1 u 3 ，l u 6 a 及矫丽电路组成。警电弧电疆较齑当毫弧愈 疆较高时，经由l r 2 2 ，l r 2 3 流过光耦1 u 3 原边发光二圾管的 电流较大，经光电放大焉，在l r 2 l _ | _ 二输融的电压也商，掰者呈 单调关系。当该值大予某阂值时，1 u 6 a 输出翻转为负，判断为 燃弧状态。光耦的线性度虽不缀好，僵此处为开关量，影响不大。 2 2 3 1 2 瓶路毫流溲辩攘鞘娥雏 短路电流由三个部分含成；( 1 ) 指数规律上升电流，( 2 ) 阶 跃电滤( 3 ) 燃弧结束时保持嚷流( 短路电流初傻) 。 当短路发生后有如下变化；( 1 ) 滞后定时阀( 该时闼密 1 私0 8 及l c 6 6 决定) ，l u 5 c 的输出 ! 1 1 5 v 交至1 5 v ，经1 r 3 0 ， 外接动态电感调节电位器w 1 ，给1 c 9 兖电。其电压波形塞指数 曲线t 升。该电羼囊射随器l u s d 输出，又经1 r 3 4 输入l u 5 a 。 ( 2 ) 滞麝襁阉酶辩闻，1 q 7 截止，l r l l o 和1 r l l l 的分送缀l r 3 6 北京交通大学硕士学位论文 输入1 u 5 a 。( 3 ) 3 u 2 为采样保持器l ，f 3 9 8 短路时对燃弧结束 嚷潦给定采样，短路期阕保持，经3 r 8 输入1 u 5 a 。 以上三路信号合成后形成短路电流上升波形。如图2 9 所示。 图2 9 合成信亏波形 模拟开关l u l o b 控制短路过渡的状态实现短路和燃弧各自状 态波形控制输出的切换。l u l o b 的导道状态受状态耀断电路的控 制，警焊接过程处予短路阶段对，1 u l o b 的“4 ”和“5 ”连通， 此时蠹环的奄流绘定由短路电流波形控制电路提供。燃弧时， “4 ”和“3 ”连通，出燃弧波形控制电路输出奄流给定。 外环彀鹰反馈、逛放l u l 及其外围电鼹构成了燃弧的波形控 制电路，它通过p i 调节，侵电流下降速度减缓，增加燃弧熊囊， 改蔫焊缝成形。电源在燃弧时具有憾燕的特性，配含等速送丝实 现电弧的自身调节作用，在燃鞭阶段稳定电弧弧长。 短路嚷瀛波形控制电路由l u 5 d 、l u 5 c 及其外为电鼹等缎 成，短鼹电流由燃弧结束时保持电流、阶跃嗽流、指数规律上升 电流三个部分合成。其中除跃嚷流的大小由l r h o 稗l r lh 瞧 分压提供，指数规律上升电流楚由外接动态电感调节电位器，绘 l c 9 充电使得电匿波形曼指数曲线上丹来得翻的。 j e 糸交通大学礤士学位论文 2 2 。3 。2 脉霓调制电距 脉宽调制电路( p w m ) 是整个波形控翩电路的核心，脉宽调 制是以工作频搴不变为基础的，根据绘定电压电流信号和反馈电 压电流信号豹比较得到差值，经过误差放大器放大后的误差瞧 压，与特定的三角波比较，输出方波信号，此方波信号的占空比 髓蔫误差电疆变化，把一个误差电压信号变成不同窝度的输出脉 冲实现脉宽调制，得蠲的p w m 信号藏可以作为控制功率晶体管 酌逮断信号，改变功率晶体篱的邋断时闻，控制功率交换器的输 出电流，调整遵交烽接电源瓣功率输琳。 本谍题氨路p w m 集成芯片采用了s ( 3 s 2 6 ，外麴简尊外阑 电路完成脉宽调藩4 信号输出的功畿，豳2 1 0 所示为s g 3 5 2 6 的 吨； n l 瓠璃喇$ 1 w * 盘嫱蜓彝t i o 屯潼砖捌 嗨： 毽浊磕嘲啦墙 n 图2 一l0p 聃集成芯片s g 3 5 2 6 内郜结构 磷赫蛙 躲薹|_鼍|雌!霎k 北京交通大学硕士学位论文 以下将简单介绍s g 3 5 2 6 各个单元的功能和= e 作蹶理。 ( 1 ) 温度补偿参考电压调节肇元参考电匿键节器，具有滋 度补偿等调节作用，保诋为集成块内除电流限制比较器和两路低 隧抗输出级以终的所有电路提供误差为1 豹稳定二作电源毫 援，输娃 为5 ，l v 、5 嘶波。 ( 2 ) 锯齿波发生爨用予产生o ，9 v 3 3 v 之闯豹锯齿波，锯 齿波的频率经二矜频后即为逆变器的工作频率，姥频率的大小决 定予夕卜接的电容c 。毫阻以及死区彀阻氏的值，其中镊鹰波上 升边对应c 。充电，充电鞫寸间决定予c l r ，丽锯齿波下降边对 应g 放电，放露时间决定于c ；r d ，陵此，调节外接泡黻和电 容馕，不但可以获褥所需鲍逆交频率，而且可以调节死嚣时闽， 在死嚣时间内，功察交换嚣两缰辨关管上趵驱动脉冲均为低电 詈，冀佟用是防止功率交换器中桥臀上下管出现直通现象两造成 过流损坏，振荡器在频率范围l o o 娩4 0 0 妊l z 。 ( 3 ) 误麓放大器( e a m ) 罔予进行反囱输入倍号与闻向输入信 号之闯豹比较释误差放大，根撂系统静动态、静态特榷要袋，可 外接适当的反馈网络。 f 4 ) 醐比较器用于锯舞波和误藏放大器输出的琰：较，锯 齿波发生器输出的锯齿波加至比较器间向端，误差放大器输如信 号加至反囱端，输密一个p w m 脉 孛信号。 ( 5 1 锁存器帮分相器锁存器用于傈疆在锯荫波的一个周 麓内只输_ 出一个p w m 脉冲信号：分相器用于将p w m 信号分配 为诱路频率为锯齿波频率的一半，棚位相菱1 8 0 。的方波倍号。 北京交遴大学硕士学经论文 f 6 软启动电路软扁动时潮编程电容连接端，随蔫该端所接 电容傻的不同，可以设置控嬲系统不同的扁动过程时间。 f 7 ) 关新保护氡路过流封锁信号输爨端和强遍封锁输入端， 当应塌片内的比较器输出信号进行过流保护时，该端为过流封锁 信号输爨端，若瘸矫部毫路的输如低嘏平信号进