高低频脉冲相位可调的大功率双丝双脉冲MIG焊电源系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高低频脉冲相位可调的大功率双丝双脉冲MIG焊电源系统及其控制方法，该电源系统包括STM32人机界面模块、主机电源和从机电源，该STM32人机界面模块通过CAN总线分别与主机电源和从机电源中的DSP数字化协同控制模块连接，主机电源为前丝提供电流，从机电源为后丝提供电流；主机电源及从机电源分别由两台并联主电路及控制电路组成，该电源系统可实现7种高低频脉冲相位模式，通过主从机两路低频调制型双脉冲作用于大功率双电弧、双丝熔滴和引起熔池共振，优化熔池温度场的温度梯度且减少双电弧干扰，从而提高焊接过程稳定性、优化焊缝组织和提高焊缝成形质量。

High power low-frequency pulse phase adjustable high power double wire and double pulse MIG welding power supply system and its control method

The invention discloses a high-power dual-wire dual-pulse MIG welding power supply system with adjustable high and low frequency pulse phase and its control method. The power supply system includes STM32 man-machine interface module, host power supply and slave power supply. The STM32 man-machine interface module is digitally coordinated with the host power supply and the slave power supply through CAN bus, respectively. The main power supply provides the current for the front wire and the slave power supply for the back wire. The main power supply and the slave power supply are composed of two parallel main circuits and control circuits respectively. The power supply system can realize seven kinds of high and low frequency pulse phase modes, which act on the high-power dual-power by two low frequency modulation dual pulses of the main and slave machines. Arc, twin-wire droplets and resonance of molten pool can optimize the temperature gradient of molten pool temperature field and reduce the interference of twin arcs, so as to improve the stability of welding process, optimize the structure of weld and improve the quality of weld formation.

【技术实现步骤摘要】
高低频脉冲相位可调的大功率双丝双脉冲MIG焊电源系统及其控制方法
本专利技术涉及高效化焊接
，特别涉及大功率双丝脉冲MIG焊
，具体涉及一种高低频脉冲相位可调的大功率双丝双脉冲MIG焊电源系统及其控制方法。
技术介绍
作为焊接技术创新的重要支撑点，高效化焊接主要体现在焊接厚板时提高熔敷效率，改善焊接接头质量。实现高效化焊接，关键在于焊接电流的进一步提高。大功率双丝脉冲MIG焊是高效化焊接的主要方式之一，比传统的双丝脉冲MIG焊有着明显的优点，焊接电源输出的大电流(脉冲峰值电流大于630A)作用在焊丝上，主从电弧在同一个熔池中燃烧，两个电弧产生射滴过渡的熔滴使熔池宽且深，可明显提高焊接效率。但大功率双丝脉冲MIG焊采用大电流输出，电流所产生的磁场强度增大，使得双电弧相互作用力增大，导致严重的双电弧干扰；大功率双丝脉冲MIG焊对材料的热输入大，因此引起焊缝区及热影响区晶粒粗大，严重降低了材料的韧性，一些结构焊接后需要进行热处理，使其应用受到限制。大功率双丝脉冲MIG焊在大厚板焊接方面具有广阔的应用前景，特别是一次成型的高效高速焊接，为提高双丝脉冲MIG焊的焊接生产效率开辟了新的途径。但大功率双丝脉冲MIG焊由于双丝之间距离较近，如果将常规双丝焊中的电流规律应用到大电流双丝焊接，即只是增大双丝焊的两路脉冲电流，将使得双电弧相互作用力增大，从而导致双电弧干扰严重，而且功率愈大干扰愈严重，其电弧的稳定性比常规630A以下双丝脉冲MIG焊差，甚至比单丝脉冲MIG焊还差，双电弧间歇性断弧时常发生，导致焊接过程不稳定，无法实现理想的高效高速焊接过程。近距离的脉冲大电流双电弧之间的相互干扰、相互作用的电弧行为和熔滴过渡直接影响到电弧、熔滴过渡和焊接过程的稳定性以及焊接质量。双电弧干扰影响焊接质量成为制约其推广应用的主要瓶颈。由此可见，现有的大功率双丝脉冲MIG焊技术，主要有以下几个方面的缺点：(1)大功率双丝脉冲MIG焊对材料的热输入大，引起焊缝区及热影响区晶粒粗大，严重降低了材料的韧性，一些结构焊接后需要进行热处理，使其应用受到限制。(2)大功率双丝脉冲MIG焊由于双丝之间距离较近，如果将常规双丝焊中的电流规律应用到大电流双丝焊接，即只是单纯增大双丝焊的两路脉冲电流，那么电流所产生的磁场将相应增大，使得双电弧相互作用力增大，导致严重的双电弧干扰，干扰情况随功率增大而进一步增大，双电弧间歇性断弧时常发生，导致焊接过程不稳定，无法实现理想的高效化焊接过程，焊接效果比常规的630A以下双丝脉冲MIG焊差，甚至比单丝脉冲MIG焊还差，无法体现大功率双丝焊接的优点。目前市面上成熟使用的双丝脉冲MIG焊电源功率还比较小，基本上都在630A以下，尤其是国内，1000A级别的大功率双丝脉冲MIG焊发展还不是特别成熟；另外，当焊接电源功率越做越大，双丝焊过程中双电弧之间的干扰问题也愈来愈严重，而这限制了双丝脉冲MIG焊焊接电流的进一步增大。电弧的稳定性是实现焊接过程稳定性的前提，电弧的稳定性取决于双电弧中每个电弧所受扰动的大小和每个电弧自身能够承受扰动的能力。大功率双丝脉冲MIG焊，由于双电弧电流均较大，则双电弧之间的相互吸引力会较大，双电弧之间的干扰会变得较为严重。双电弧干扰优化控制较理想的思想是提高电弧自身承受扰动的能力和改善双电弧相互作用力的分布，使双电弧的相互吸引力达到最小；电弧的稳定性是焊接工艺参数优化控制的前提。波形控制技术在优化电弧和熔滴过渡方面起着重要的作用。如果针对双电弧相互干扰形成机理，采取相应的波形控制技术，则有可能达到减少大功率双电弧干扰，达到提高焊接过程稳定性的目的。双脉冲低频调制是波形控制的方式之一，是在高频单脉冲波形的基础上再进行调制，两种单脉冲波形按一定的规则生成周期性的强弱脉冲电流波形的一种新工艺方法。双脉冲主从机输出电流分别有10个可调参数：强脉冲基值电流Ib1、强脉冲峰值电流Ip1、强脉冲基值时间Tb1和强脉冲峰值时间Tp1；弱脉冲基值电流Ib2、弱脉冲峰值电流Ip2、弱脉冲基值时间Tb2和弱脉冲峰值时间Tp2；强脉冲群电流时间Ts和弱脉冲群电流时间Tw，从工艺上来说双脉冲具有更好的可调性。小电流值或占空比小的高频脉冲群被调制成低频脉冲的弱脉冲，大电流值或占空比大的高频脉冲群被调制成低频脉冲的强脉冲，若干个高频强脉冲群的周期数构成低频脉冲的强脉冲群电流时间Ts，若干个高频弱脉冲群的周期数构成低频脉冲的弱脉冲群电流时间Tw；高频强弱脉冲群的周期数决定低频脉冲的占空比。低频调制方法可以将高频脉冲的频率降低n倍(n等于高频强弱脉冲群的周期数之和)，控制高频强脉冲群周期数与高频弱脉冲群周期数的比值就可以输出低频脉冲占空比的任意值。通过调制两组高频脉冲的脉冲参数，使脉冲强度按预设的低频频率而周期性切换，从而得到周期性变化的强弱脉冲，同时也使脉冲MIG焊的电弧和热输入随低频调制频率变化而变化。双脉冲对焊接熔池的搅拌作用明显，双脉冲可消除焊缝区柱状树枝晶，所得焊缝晶粒比单脉冲焊缝晶粒更细小；双脉冲对熔池的搅拌引起熔池共振打断晶粒的连续长大，从而使得一次结晶所形成的晶粒尺寸变小，具有细化晶粒的效果，从而提高焊缝成形质量。目前关于单丝单脉冲焊接、单丝低频调制型双脉冲焊接以及双丝单脉冲焊接国内外已有较多研究，关于大功率双丝脉冲MIG焊低频调制型双脉冲焊接的研究刚起步，大功率双丝脉冲MIG焊低频调制型双脉冲焊接结合了大功率双丝脉冲MIG焊高效率和低频调制型双脉冲高焊缝成形质量的优点。但目前大功率双丝脉冲MIG焊低频调制型双脉冲焊接的研究主要是高频脉冲相位的调节，而对低频脉冲相位进行调节的研究尚属空白。例如现有技术文献资料中的“低频调制型脉冲MIG焊接方法的工艺特点”(仝红军，上山智之.焊接，2001.11)，虽然该焊接方法能得到美观的鱼鳞状焊缝表面，扩大可焊接头间隙的范围，有效抑制焊接气孔缺陷的发生，细化晶粒，降低裂纹敏感性，但仅局限于峰值电流小于630A的单丝脉冲MIG焊，不是双丝脉冲MIG焊，其输出功率远小于本专利技术所应用的大功率双丝脉冲MIG焊，不能实现高效化焊接。另经检索发现，中国专利申请号为：201510713907.7，名称为：大功率双丝脉冲MIG焊低频调制型双脉冲电源系统，该申请案采用DSP数字化协同控制模块内置eCAN模块实现主从机之间的数字化协同控制，从而实现同步、交替和随机三种低频调制型双脉冲相位输出。但该电源系统是针对高频脉冲的三种相位而设计的，系统工作时主从机是同时输出强脉冲和弱脉冲，低频相位和高频相位不能同时独立调节。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的缺点与不足，提供一种高低频脉冲相位可调的大功率双丝双脉冲MIG焊电源系统及其控制方法。本专利技术通过不同高低频脉冲相位的高低频调制型双脉冲作用于大功率双丝脉冲MIG焊过程，从而调节双电弧电流磁场的场强及分布情况，优化大功率双电弧之间的电磁力的相互作用情况，减小大功率双电弧相互干扰，增强熔滴过渡的可控性，通过改变双丝电流的输出相位关系，增强熔池搅拌，减少气孔缺陷的发生几率，同时优化热输入，细化焊缝区及热影响区晶粒，获得美观的鱼鳞纹焊缝，从而提高焊接效率和焊接过程稳定性、优化焊缝组织和提高焊缝成形质量。本专利技术的第一个目的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高低频脉冲相位可调的大功率双丝双脉冲MIG焊电源系统，其特征在于，所述电源系统包括STM32人机界面模块、主机电源和从机电源，所述主机电源为主机电弧负载提供电流，所述从机电源为从机电弧负载提供电流；所述主机电源及从机电源分别由两台并联的主电路及控制电路组成，其中，每台主电路一端与三相交流连接，另一端并联后与电弧负载连接，每台主电路包括顺序连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和输出整流滤波模块；每台控制电路包括DSP数字化协同控制模块、高频驱动模块、电压电流检测模块和故障保护模块；所述高频驱动模块的一端与高频逆变模块的一端连接，另一端与DSP数字化协同控制模块的PWM端连接；所述电压电流检测模块的一端与电弧负载连接，另一端与DSP数字化协同控制模块的A/D输入端连接；所述故障保护模块的一端与输入整流滤波模块的一端连接，另一端与DSP数字化协同控制模块的一端连接；所述STM32人机界面模块通过CAN总线分别与主机电源中的DSP数字化协同控制模块连接，所述STM32人机界面模块通过CAN总线分别与从机电源中的DSP数字化协同控制模块连接。

【技术特征摘要】
1.一种高低频脉冲相位可调的大功率双丝双脉冲MIG焊电源系统，其特征在于，所述电源系统包括STM32人机界面模块、主机电源和从机电源，所述主机电源为主机电弧负载提供电流，所述从机电源为从机电弧负载提供电流；所述主机电源及从机电源分别由两台并联的主电路及控制电路组成，其中，每台主电路一端与三相交流连接，另一端并联后与电弧负载连接，每台主电路包括顺序连接的输入整流滤波模块、高频逆变模块、功率变压模块和输出整流滤波模块；每台控制电路包括DSP数字化协同控制模块、高频驱动模块、电压电流检测模块和故障保护模块；所述高频驱动模块的一端与高频逆变模块的一端连接，另一端与DSP数字化协同控制模块的PWM端连接；所述电压电流检测模块的一端与电弧负载连接，另一端与DSP数字化协同控制模块的A/D输入端连接；所述故障保护模块的一端与输入整流滤波模块的一端连接，另一端与DSP数字化协同控制模块的一端连接；所述STM32人机界面模块通过CAN总线分别与主机电源中的DSP数字化协同控制模块连接，所述STM32人机界面模块通过CAN总线分别与从机电源中的DSP数字化协同控制模块连接。2.根据权利要求1所述的高低频脉冲相位可调的大功率双丝双脉冲MIG焊电源系统，其特征在于，所述主电路的拓扑为硬开关、移相全桥软开关或LLC谐振软件开关拓扑。3.根据权利要求1所述的高低频脉冲相位可调的大功率双丝双脉冲MIG焊电源系统，其特征在于，所述STM32人机界面模块和所述DSP数字化协同控制模块内置eCAN模块实现上位机和下位机之间的数字化协同控制，从而实现7种模式的高低频双脉冲相位输出。4.根据权利要求1所述的高低频脉冲相位可调的大功率双丝双脉冲MIG焊电源系统，其特征在于，所述DSP数字化协同控制模块内置产生PWM信号的ePWM输出模块。5.根据权利要求1所述的高低频脉冲相位可调的大功率双丝双脉冲MIG焊电源系统，其特征在于，所述DSP数字化协同控制模块采用TMS320F28335。6.根据权利要求3所述的高低频脉冲相位可调的大功率双丝双脉冲MIG焊电源系统，其特征在于，所述7种模式的高低频双脉冲相位输出分别是：低频同步高频同步相位模式、低频同步高频交替相位模式、低频同步高频随机相位模式、低频交替高频同步相位模式、低频交替高频交替相位模式、低频交替高频随机相位模式、低频随机高频随机相位模式，其中，所述电源系统工作在低频同步高频同步相位模式时，主从机输出电流高低频脉冲相位相同，即高低频脉冲相位差φh＝φl＝0°，且主从机高低频脉冲频率分别相等；在此相位模式下，主从机低频脉冲的强弱脉冲同步出现，即当主机低频脉冲处于强脉冲阶段时从机低频脉冲处于强脉冲阶段，反之当主机低频脉冲处于弱脉冲阶段时从机低频脉冲处于弱脉冲阶段；主从机高频脉冲的峰基值同步出现，即当主机高频脉冲处于峰值阶段时从机高频脉冲处于峰值阶段，反之当主机高频脉冲处于基值阶段时从机高频脉冲处于基值阶段；低频同步相位使熔池温度场的温差梯度较大，高频同步相位则使双电弧干扰程度比交替相位基值电弧干扰小，而峰值电弧干扰大；所述电源系统工作在低频同步高频交替相位模式时，主从机输出电流低频脉冲相位相同，即低频脉冲相位差φl＝0°，主从机低频脉冲的强弱脉冲同步出现，且主从机低频脉冲频率相等；但是主从机高频脉冲相位交替，即高频脉冲相位差φh＝180°，主从机高频脉冲的峰基值交替出现，即在一个高频脉冲群中从机高频脉冲输出比主机高频脉冲输出延迟半个高频脉冲周期，且主从机高频脉冲频率相等；低频同步相位使熔池温度场的温差梯度较大，高频交替相位则使双电弧干扰程度比同步相位峰值电弧干扰少，而基值电弧干扰较大；所述电源系统工作在低频同步高频随机相位模式时，主从机输出电流低频脉冲相位相同，即低频脉冲相位差φl＝0°，主从机低频脉冲的强弱脉冲同步出现，且主从机低频脉冲频率相等；但是主从机高频脉冲相位随机，主从机高频脉冲的的峰基值随机出现，即在一个高频脉冲群中从机高频脉冲输出与主机高频脉冲输出相位随机，主从机高频脉冲可能同时输出基值或峰值，也可能是基值和峰值交替状态，且主从机高频脉冲相位随机；低频同步相位使熔池温度场的温差梯度较大，高频随机相位则使峰值电弧和基值电弧干扰程度在高频同步和交替相位之间；所述电源系统工作在低频交替高频同步相位模式时，从机低频脉冲电流输出比主机低频脉冲输出延迟半个低频脉冲周期，即低频脉冲相位差φl＝180°，高频脉冲相位同步，即高频脉冲相位差φh＝0°...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴开源，谢沛民，刘朝，尹彤，丁念，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44