熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔TIG焊接系统及其焊接方法技术方案

本发明专利技术提供了一种熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔TIG焊接系统及其焊接方法；系统包括工业机器人、快频脉冲焊接电源、主控制系统、人机交互系统等；快频脉冲焊接电源包括功率模块和功能模块；功率模块包括用于提供低频脉冲电流的主功率模块和用于提供基值电流的至少一组从功率模块；功能模块包括用于实现斩波调制的高频斩波调制模块，以及高频高压引弧模块；主功率模块、高频斩波调制模块和高频高压引弧模块依次连接；从功率模块并联在高频斩波调制模块的输出端。本发明专利技术采用快频脉冲电流实现稳定锁孔焊接以及熔池的同步平衡震荡，可压缩电弧，提升电弧力，解决大电流锁孔焊接因热输入过大导致晶粒粗化的问题。

【技术实现步骤摘要】
熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔TIG焊接系统及其焊接方法
本专利技术涉及焊接设备
，更具体地说，涉及一种熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔TIG焊接系统及其焊接方法。
技术介绍
钨极气体保护电弧焊(TungstenInertGasArcWelding,TIG)电弧稳定，可见性好，无飞溅，焊接质量稳定可靠，适应性强，广泛应用于航天航空、船舶制造、核工业以及汽车制造等行业。焊接材料包括钢、不锈钢、铝、铝合金、钛合金等多种金属；但TIG焊存在熔深不足、焊接速度慢、焊接效率低等缺点，在中厚板自动化焊接领域存在局限性。深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接(KeyholeTungstenInertGas,K-TIG)，是一种大电流TIG焊接技术，它靠大电流形成的电弧压力与液体金属重力、表面张力保持熔池的动态平衡，形成几何形态稳定的小孔，可实现中厚板的单面焊双面成形，无须开坡口和背面清理，大大提高了焊接效率。目前，深熔锁孔TIG焊普遍采用直流或低频脉冲的方式实现大电流锁孔，其热输入偏大，易引发焊缝晶粒组织粗化、机械性能难达标以及工件易变形等现象；此外，大电流锁孔还提高了对焊枪散热条件的要求。采用快频脉冲可降低锁孔平均电流，并在穿孔锁孔过程熔池受力处于平衡状态下同步实现熔化金属的震荡，通过打断晶粒生长、破碎已有晶粒组织和形成异质形核点的方式，有效解决目前深熔锁孔TIG焊接面临的因热输入过大引发的晶粒粗化问题。因此，采用快频脉冲电源替代直流或低频单脉冲电源来实现深熔锁孔TIG焊接将是一种理想解决方案，但目前国内外对锁孔TIG焊的研究大多基于直流或低频单脉冲波形，尚无将快频脉冲波形应用于深熔TIG焊接领域的报道。为此，亟需开发一套熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔TIG焊接系统和方法。
技术实现思路
为克服现有技术中的缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔TIG焊接系统及其焊接方法。本专利技术采用快频脉冲电流实现稳定锁孔焊接以及熔池的同步平衡震荡，可压缩电弧，提升电弧力，解决大电流锁孔焊接因热输入过大导致晶粒粗化的问题。为达到上述目的，本专利技术通过下述技术方案予以实现：一种熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔TIG焊接系统，其特征在于：包括工业机器人、快频脉冲焊接电源、主控制系统、人机交互系统、焊炬高度调节装置、气体装置、送丝装置、焊枪以及水冷装置；所述工业机器人、快频脉冲焊接电源、人机交互系统、焊炬高度调节装置、气体装置、送丝装置和水冷装置分别与主控制系统信号连接；所述焊枪分别与快频脉冲焊接电源、焊炬高度调节装置、水冷装置和气体装置连接；所述快频脉冲焊接电源包括功率模块和功能模块；所述功率模块包括用于提供低频脉冲电流的主功率模块和用于提供基值电流的至少一组从功率模块；所述功能模块包括用于对所述主功率模块提供的低频脉冲电流进行斩波调制高频斩波调制模块，以及高频高压引弧模块；所述主功率模块、高频斩波调制模块和高频高压引弧模块依次连接；从功率模块并联在高频斩波调制模块的输出端。优选地，所述主功率模块包括依次连接的输入整流滤波电路、高频逆变电路、高频变压器以及输出整流滤波电路；其中，输入整流滤波电路与三相电连接；输出整流滤波电路与高频斩波调制模块连接。优选地，所述从功率模块与主功率模块在拓扑结构上完全相同。优选地，所述高频斩波调制模块包括并联功率开关管Q9、串联功率开关管Q10以及防反灌二极管VD3；所述并联功率开关管Q9并联在主功率模块输出端正极与负极之间；主功率模块输出端正极依次与串联功率开关管Q10和防反灌二极管VD3串联；工作时，并联功率开关管Q9和串联功率开关管Q10交替导通。优选地，所述并联功率开关管Q9和串联功率开关管Q10均采用Si基MOSFET功率开关管、Si基IGBT功率开关管、SiC型MOSFET功率开关管、SiC型IGBT功率开关管和GaN型功率开关管中的任一种。优选地，所述主控制系统包括核心控制模块，以及分别与核心控制模块信号连接的电源驱动模块、锁孔特征量采样模块和开关控制模块；所述电源驱动模块分别与主功率模块、从功率模块和高频斩波调制模块连接；所述锁孔特征量采样模块分别与主功率模块和从功率模块连接；所述开关控制模块分别与高频高压引弧模块和水冷装置连接。优选地，所述电源驱动模块包括高频逆变驱动子模块和高频斩波驱动子模块；高频逆变驱动子模块分别与主功率模块和从功率模块连接；高频斩波驱动子模块与高频斩波调制模块连接。优选地，所述锁孔特征量采样模块包括用于分别采集主功率模块和从功率模块电流信号的电流采集子模块，以及用于分别采集主功率模块和从功率模块的电弧电压信号的电压采集子模块。一种上述熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔TIG焊接系统的焊接方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、根据工件和丝材的特性，在人机交互系统选择相应的快频脉冲深熔锁孔TIG焊接工艺参数并发送到主控制系统，生成焊接流程控制时序；S2、工业机器人控制焊枪进行移动使钨极对准焊接起始点；主控制系统控制开启水冷装置和气体装置，为焊枪提供水冷循环，提前为焊接过程送保护气；S3、主控制系统按照焊接流程时序，控制快频脉冲焊接电源、工业机器人、送丝装置、焊炬高度调节装置和气体装置协调完成快频脉冲深熔锁孔TIG焊接成形过程；S4、熄弧后，水冷装置和气体装置延后一定时间关闭，焊接过程结束。优选地，所述步骤S3包括依次执行的起弧阶段、电流上升阶段、大电流阶段、快频脉冲锁孔阶段以及收弧阶段；所述引弧阶段，开启高频高压引弧模块，输出高频高压信号直至激发电弧；所述电流上升阶段，主功率模块和从功率模块输出直流电流，高频斩波调制模块使主功率模块输出回路导通，从功率模块输出电流逐渐增大，直至达到预设的大电流；所述大电流阶段，维持大电流不变，直至检测到熔池穿透焊件形成小孔；所述快频脉冲锁孔阶段，从功率模块输出基值电流，主功率模块输出低频脉冲电流，由高频斩波调制模块对低频脉冲电流进行斩波，完成高频脉冲电流叠加，实现快频脉冲深熔锁孔焊接并在锁孔过程同步进行熔池的平衡震荡；所述收弧阶段，从功率模块输出电流逐渐减小，直至达到熄弧电流。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点与有益效果：1、本专利技术采用模块式结构、高性能、大功率的快频脉冲焊接电源，可在满足总输出功率的情况下，降低单个功率模块的功率要求，提高单个功率模块开关频率，减小磁性元件体积，提高电源的动态调节性能；各功率模块由同一主控制系统分配独立的电流环，保证功率模块间电流精细化控制的一致性，实现锁孔过程电弧能量动态优化配置，从根本上解决了多模块并联大电流紊乱和波形失真问题，保证锁孔焊接过程的熔池平衡震荡的有效性；2、本专利技术可采用较小的快频脉冲电流实现稳定锁孔焊接以及熔池的同步平衡震荡；采用快频脉冲可以压缩电弧，提升电弧力，一方面可以减少熔池穿孔熔化金属的体积和重量，更易于克服中厚板深熔锁孔焊接过程熔化金属重力对穿孔和锁孔稳定性的不利影响，另一方面，通过调整脉冲波形即可优化锁孔电流的热输入；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔TIG焊接系统，其特征在于：包括工业机器人、快频脉冲焊接电源、主控制系统、人机交互系统、焊炬高度调节装置、气体装置、送丝装置、焊枪以及水冷装置；所述工业机器人、快频脉冲焊接电源、人机交互系统、焊炬高度调节装置、气体装置、送丝装置和水冷装置分别与主控制系统信号连接；所述焊枪分别与快频脉冲焊接电源、焊炬高度调节装置、水冷装置和气体装置连接；/n所述快频脉冲焊接电源包括功率模块和功能模块；所述功率模块包括用于提供低频脉冲电流的主功率模块和用于提供基值电流的至少一组从功率模块；所述功能模块包括用于对所述主功率模块提供的低频脉冲电流进行斩波调制的高频斩波调制模块，以及高频高压引弧模块；所述主功率模块、高频斩波调制模块和高频高压引弧模块依次连接；从功率模块并联在高频斩波调制模块的输出端。/n

【技术特征摘要】
1.一种熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔TIG焊接系统，其特征在于：包括工业机器人、快频脉冲焊接电源、主控制系统、人机交互系统、焊炬高度调节装置、气体装置、送丝装置、焊枪以及水冷装置；所述工业机器人、快频脉冲焊接电源、人机交互系统、焊炬高度调节装置、气体装置、送丝装置和水冷装置分别与主控制系统信号连接；所述焊枪分别与快频脉冲焊接电源、焊炬高度调节装置、水冷装置和气体装置连接；
所述快频脉冲焊接电源包括功率模块和功能模块；所述功率模块包括用于提供低频脉冲电流的主功率模块和用于提供基值电流的至少一组从功率模块；所述功能模块包括用于对所述主功率模块提供的低频脉冲电流进行斩波调制的高频斩波调制模块，以及高频高压引弧模块；所述主功率模块、高频斩波调制模块和高频高压引弧模块依次连接；从功率模块并联在高频斩波调制模块的输出端。


2.根据权利要求1所述的熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔TIG焊接系统，其特征在于：所述主功率模块包括依次连接的输入整流滤波电路、高频逆变电路、高频变压器以及输出整流滤波电路；其中，输入整流滤波电路与三相电连接；输出整流滤波电路与高频斩波调制模块连接。


3.根据权利要求2所述的熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔TIG焊接系统，其特征在于：所述从功率模块与主功率模块在拓扑结构上完全相同。


4.根据权利要求1所述的熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔TIG焊接系统，其特征在于：所述高频斩波调制模块包括并联功率开关管Q9、串联功率开关管Q10以及防反灌二极管VD3；所述并联功率开关管Q9并联在主功率模块输出端正极与负极之间；主功率模块输出端正极依次与串联功率开关管Q10和防反灌二极管VD3串联；工作时，并联功率开关管Q9和串联功率开关管Q10交替导通。


5.根据权利要求4所述的熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔TIG焊接系统，其特征在于：所述并联功率开关管Q9和串联功率开关管Q10均采用Si基MOSFET功率开关管、Si基IGBT功率开关管、SiC型MOSFET功率开关管、SiC型IGBT功率开关管和GaN型功率开关管中的任一种。


6.根据权利要求1所述的熔池平衡震荡脉冲深熔锁孔TIG焊接系统，其特征在于：所述主控制系统包括核心控制模块，以及分别与核心控制模块信号连接的电源驱动模块、锁孔特征量采样模块和开关控制模块；
所述电源驱动模...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振民，陈浩宇，钟启明，吴健文，张芩，吴祥淼，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44