TIG焊弧长自动控制系统

1、直流脉冲TIG焊弧长控制系统（讨论稿）（一）研发自动弧长控制系统的目的及意义TIG 焊作为一种高质量的焊接方法在多个行业中已经得到广泛的应用，而与直流TIG 焊相比脉冲 TIG 焊由于其电弧挺度好、热输入小、焊缝容易成形、金属性能好等优点被应用在全位置焊接、薄板焊接及厚板的打底焊中，交流 TIG 焊常被应用于铝镁及其合金的焊接。近些年来 TIG 焊正在向焊接过程的自动化和智能化方向发展，要实现自动化过程的前提就是要实现焊接电弧弧长的跟踪、焊缝的跟踪及焊接质量的控制。在自动焊接过程中，焊接电弧弧长是影响焊接质量的重要因素，由于工件表面高度变化的不确定性和焊缝变形的存在（组对不准确或焊接热变形导致

2、），都可能导致电极与工件间的距离产生变化，使弧长的变化存在不确定性。如果弧长过长，电极与工件的距离过大，会降低电弧对母材的熔透能力，也会破坏气体保护的效果。相反如果弧长过短，容易使电极与熔池接触造成短路烧损鸨极和产生夹鸨。因此在自动化焊接过程中应采用合理的弧长跟踪设备稳定焊接电弧的弧长， 以保证焊接的质量。（二）自动焊中常用的弧长跟踪方法及手段电弧弧长的跟踪方式有很多种，主要有直接跟踪法和间接跟踪法，直接跟踪法主要为机械式传感通常采用探针或滚轮探测工件表面的变化并将其转化为电信号，采用机械式传感可以在一定范围内保证弧长不变，这种方式误差较大。问接跟踪法可分为光电式、电磁式等，光电式主要有弧光传

3、感跟踪弧长，需要加装光学镜头来摄取信号，再用光电转换电路转化为电信号，这种方法控制系统复杂，使用不便而且成本高。以上方法如果用于全位置焊接时也都存在很大困难。问接跟踪还有电弧电压传感和电弧电流传感，由于电压信号具有易提取的特点，与其它方法相比电弧电压传感简便易行，实时性好，没有附加误差，因此通过电弧电压传感来控制弧长的方式被广泛的应用。（三）目前研究所将要开发的弧长跟踪检测项目1 .跟踪方式及原理我们研究所将要进行的弧长检测项目也应从电弧电压传感方式着手，而无论是直流 TIG 焊、直流脉冲 TIG 焊还是交流 TIG 焊都可以通过控制电弧电压的稳定性达到间接控制弧长的目的。在 TIG 焊中由于

4、焊接电弧弧长与电弧电压之间有较好正比关系，所以大约 50 年前人们就知道通过电弧电压来控制电弧弧长，直到现在这种方法仍被广泛用于弧长的自动检测与控制，国内外通称为 AVC 法（AutomaticVoltageControl）。在 TIG 焊中焊接电源的外特性为垂降特性，如图 1 所示 L0 为焊接电源的外特性，当弧长发生变化时电弧静特性曲线由 L1 变为 L2,电弧的稳定工作点由 A1变为 A2,此时电弧电压发生明显的变化而电流不变或变化不大（恒流特性），因此采用提取电弧电压信号的方式来检测电弧的弧长。2 .自动 TIG 焊弧长跟踪系统结构组成TIG 焊弧长跟踪系统应由以下几部分组成，并形成如

5、图 2 所示的弧长跟踪系统结构。弧压采集器（信号输入）弧压处理器（信号处理计算）控制器（信号输出）驱动器（步进电机）执行机构（焊枪高低移动）-焊枪zXZZ工件3 .各结构部分存在的问题弧压采集器（信号输入）采用何种方式进行电弧电压的采集，在整个脉冲波形中采集哪部分弧压，采集到的弧压信号应确保精度能准确的反应弧长并准确输入给弧压处理器。考虑采用霍尔传感器在电弧两端采集弧压信号或采用硬件电路用一根导线接工件另一根导线接焊枪上尽量离电弧近的一点采集电弧电压（电弧干扰大?单片机？缩小资源需求）。由 TIG 焊电弧的静特性曲线分析可知在相同的弧长下当电流较小时电弧电压的波动变化相比大电流时要大，因此应提

6、取峰值阶段的电弧电压表征弧长。可通过试验测量整个焊接过程的弧压值并绘制出脉冲电弧电压波形图，对基值和峰值阶段弧压变化进行比较，比较结果可以看出基值阶段弧压相对波动较大。弧压处理器（信号处理计算）如何对采集到的弧压信号进行处理提取出能够正确反映弧长的弧压信号，采用什么算法将采集到的信号与给定值进行比较来确定弧长的变化。通过绘制脉冲电压的波形图可以发现在电流从基值切换到峰值的初期， 电弧电压有明显的过渡过程，而这个阶段电弧电压很不稳定不能用来表征弧长，所以应采用硬件电路对采集到的弧压信号进行滤波处理提取电弧稳定状态时的弧压，可以通过对所得到的稳态弧压信号进行累计积分或提取稳态弧压信号的若干个点的平

7、均值（离散执行机枸驱动器控制器弧压采集器弧压处理器采样）与设定值比较，从而得出弧长变化的信息。在峰值电流小于 50A 时不能用离散采样的方式，因为电流过小时电弧挺度差弧压波动相对大，为使弧长跟踪系统能有更大的适用范围选用累计积分方式处理信号更好。控制器（信号输出）及驱动器（步进电机）如何对提取到的信号与给定值进行比较确定弧长变化，确定采用何种电机及其反应速度及脉冲频率。在峰值阶段进行弧压信号的采集与提取， 在基值阶段对采集信号进行计算及与设定值比较，控制器驱动高低步进电机调节弧长。比较计算后所得的弧压信号 U1 与设定值 U2,得出反应弧长变化的信号 U3,具体为当 U1U2 时，U3=1,表

8、示弧长变长，驱动步进电机使高低移动机构向下移动减小弧长。当 U1=U2 时，U3=0,表示弧长变化在允许范围内，电机不动。执行机构（焊枪高低移动）在确定弧长发生变化后是否应控制焊枪上下移动的距离或时间，是一个渐变过程还是突变。？若在焊接过程中带有有高频引弧及收弧衰减，则还应设计电路控制 AVC弧长跟踪的延时。？4.工艺试验试验目的：在自动 TIG 焊过程中实现弧长的自动跟踪调节并检验弧长跟踪精度试验设备及焊接参数弧长控制器：自制弧长跟踪装置；焊接电源：松下 NC-500WX4-N 自动焊设备：装备公司自制自动 TIG 焊试验机？（不能实现平板焊接）；保护气体：氮气；电极：3.2 社鸨极；试件：

9、采用碳钢与不锈钢两种材料分别制成平板、开凹槽板（凹槽宽度 10mm、深度 1mm、间隔 10mm）、波浪形板及椭圆形（偏心）钢管试件；百分表。焊接试验参数：气体流量焊接峰值电流？峰值时间？基值电流？基值时间？焊接速度？弧长：分别设定为 2mm,4mm,6mm 进行试验？。试验内容a 测量弧长分别为 2mm、2.5mm、3mm、3.5mm 时的电弧电压值，绘制出与弧长相对应的静特性曲线，证明弧长与弧压的线性关系。b 测量焊接过程的弧压值并绘制出脉冲弧压的波形图，对基值和峰值阶段弧压变化进行比较，确定提取峰值阶段弧压这一方法的正确性。C 测量不同弧长下所对应的电压值及单位弧长变化对应的弧压变化值（

10、每毫米弧长变化对应电压变化 0.50.7V?）。弧压值的测量由弧长控制器中弧压采集器来实现。d 弧长跟踪试验，采用上述焊接参数用直流 TIG 焊和脉冲 TIG 焊两种方式分别在平板、开凹槽板、波浪形板及椭圆形（偏心）钢管上对碳钢和不锈钢两种材料的试件进行弧长跟踪试验，测试弧长跟踪精度，通过焊缝成形情况判断弧长变化在什么样范围内是允许的（0.51.0mm?）,确定弧长跟踪效果是否要求。试验过程采用百分表测量弧长变化检测弧长跟踪的精度。e 由于没有焊缝跟踪，因此无法在 V 形坡口中进行试验，若在 V 形坡口中进行弧长跟踪试验时会出现如图 3 所示的状况，当电弧以弧长 H 在坡口中进行焊接时由于焊缝发生偏移，弧长变短为 H1 经过自动调节后恢复为 H,但此时电弧运行轨迹已经偏离坡口中心会严重影响焊接质量，这样无法根据焊缝成形情况准确的判断弧长跟踪的效果是否符合要求，在这种情况下弧长跟踪没有意义。由于暂时没有焊缝跟踪，考虑此试验可由视频监控通过手工调节跟踪焊缝配合进行在 V 形坡口中的弧长跟踪试验