一种脉冲MIG焊接电弧的控制系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种脉冲MIG焊接电弧控制系统，该系统采用焊丝送进速度信号的开环前馈控制方式和电弧长度信号的闭环负反馈控制方式共同控制脉冲MIG电弧的维弧宽度或脉冲频率，以便保持焊丝送进速度和熔化速度的动态平衡，并且在焊接电流调节（通过送丝速度调节）、送丝速度扰动或电弧长度扰动发生时维持系统的电弧长度不变和熔滴的射流过渡方式不变。此外，还公开了采用所述方法和系统用于脉动送进方式焊接控制焊缝熔深和成形的新工艺。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
—种脉冲MIG焊接电弧的控制系统
本技术涉及焊接方法和设备，特别是脉冲MIG焊接电弧的控制系统。
技术介绍
脉冲MIG焊方法，又称为脉冲熔化极惰性气体保护焊，熔化电极为焊丝，保护气体的主体为惰性气体，占总的保护气体流量的80%以上。脉冲MIG焊的焊接电流采用脉冲电流波形，其目的在于可以在较低的平均电流下获得优越的熔滴射流过渡方式。焊接熔滴过渡处于射流过渡方式时电弧十分稳定，无焊接飞溅，电弧热输入和穿透较强，焊缝成形很好，焊缝质量较高。直流MIG焊要在焊丝的临界电流值以上才能获得射流过渡方式，脉冲MIG焊的峰值电流超过焊丝临界电流值获得射流过渡，但是它的平均焊接电流很低，广泛用于对焊接质量要求较高的合金钢结构焊接和有色金属焊接，尤其是上述金属的中、薄板结构的焊接。脉冲MIG焊在维弧和脉冲期间分别采用什么样的电源外特性对电弧的稳定性影响甚大，国内外学者对此进行了大量的研究。在维弧期间，因为维弧电流很小，如果采用恒压电源外特性，当扰动出现时会引起维弧电流变化较大，导致电弧熄灭或者维弧电流过大产生熔滴的大滴过渡方式，使电弧的稳定性和射流过渡方式受到破坏。所以，维弧期间最适宜采用的电源外特性是恒流特性。在维弧期间采用恒流外特性的条件下，如果脉冲期间也采用恒流特性，电弧将完全丧失自调性能，电弧弧长将完全失去适应性和稳定性。所以为了使电弧获得一些自调性能，在脉冲期间只好采用恒压电源外特性。为了照顾到维弧期间燃弧稳定性，维弧期间选择了恒流电源外特性；由于使用了恒流特性，扰动导致弧长变化时维弧电流不变，这样脉冲MIG焊电弧在维弧期间就失去了弧长的自调性能；在脉冲期间虽然使用了恒压外特性，但是为了保证稳定的熔滴射流过渡方式，脉冲电流变化量也不宜过大。所以，对于传统的脉冲MIG焊电弧，维弧期间没有自调性能，脉冲期间的自调性能十分有限，整个电弧的自调性能很差，当扰动出现时弧长的稳定性和适应性较差。由于传统的脉冲MIG焊电弧控制系统在原理上存在电弧弧长自调性能较差的缺陷，导致它在应用中存在下列几个严重的问题:第一、电源脉冲参数配置十分复杂，使用操作难度较大。针对某一焊接电流，脉冲MIG的电源脉冲参数设置包括维弧电流lb、维弧宽度Tb、脉冲电压Up、脉冲宽度Tp、和送丝速度Vf。由于电弧的弧长自调性能很差，上述参数的设置必须很精确，使电弧在所设置参数下产生的焊丝熔化速度准确等于设定的送丝速度，否则弧长会大大偏离正常范围，甚至不能获得正常的电弧。而且，除了获得正常的弧长外，同时还要保证获得熔滴的射流过渡方式，这就大大增加了参数设置和系统使用的难度。第二、电弧自调性能差，弧长受扰动时弧长稳定性和适应性差；由于弧长受扰动时，电流和焊丝熔化速度的变化量很小，电弧弧长的恢复能力很差，电弧的弧长稳定性和适应性很差。第二、溶滴过渡稳定性差。由于电弧弧长自调性能较差，弧长受到扰动时，弧长变化较大，恢复时间较长，恒压电源特性提供的脉冲电流变化较大，当脉冲电流小于临界电流时，射流过渡方式受到破坏，产生大滴过渡方式。[0011 ] 第四、改善电弧弧长稳定性与改善熔滴过渡稳定性互相矛盾。对于传统的脉冲MIG焊接电弧控制系统，它的电弧弧长稳定性和熔滴过渡稳定性都比较差。而且，由于它的弧长自调性能是靠脉冲电流幅值的变化量来获得的。但是，电弧受到扰动时，脉冲电流变化量越大，熔滴过渡稳定性越差，因此，对于传统的脉冲MIG焊电弧控制系统的控制模式，电弧弧长稳定性的改善与熔滴过渡稳定性的改善是相互矛盾的。针对传统系统存在的上述缺点，同行进行了一系列研究，但是问题还没有完全得到解决。研究工作和主要技术方案有下列几个方面:a.针对电源脉冲参数配置十分复杂的缺点，开发成功脉冲参数与送丝速度的一元化调节系统。采用单片机专家系统为相应的每一送丝速度Vf配置一组电弧脉冲参数，包括维弧电流lb、维弧宽度Tb、脉冲电压Up、脉冲宽度Tp。每组脉冲参数都经过工艺实验来配置，使之在对应的送丝速度Vf下获得最佳的弧长和射流过渡方式。使用时只需调节送丝速度Vf，脉冲参数自动调出，实现了焊接参数的一元化调节，解决了脉冲参数人工配置十分复杂的缺点。但是脉冲MIG电弧焊其余三个问题依然存在，当弧长扰动(如焊工手把抖动)时，电弧弧长的稳定性差，熔滴的射流过渡方式容易受到破坏。b.为了避免或减少弧长扰动对电弧弧长和熔滴稳定性的影响，一些同行研究成功焊枪高度控制系统，力图避免或减少由于焊枪高度变化导致对弧长扰动。但是，如果弧长扰动不是来自焊枪高度变化，或者当焊接系统属于半自动系统(焊枪人工操作，生产上应用最为普遍)时，上述技术措施就完全失效了。c.在自动焊的条件下，比较容易做到焊枪与工件之间的距离不变。这时，当弧长变化时，焊丝的干伸长度也伴随变化；反过来，通过控制干伸长度，也就控制了弧长，因为焊枪与工件之间的距离不变，一些同行通过补偿或控制焊接时的干伸长度来控制电弧长度。但是，在焊接过程中焊丝送丝的干伸长度是不容易测量的。由于焊丝干伸长度的变化会影响焊丝熔化率和焊接平均电流的变化，在平衡稳定的焊接状态下，焊丝干伸长度的变化会从焊接输出电流的变化反映出来。以此作为焊丝干伸长度的反馈信号，对焊丝干伸长度进行补偿和控制。该系统将测试到电流平均值与设定的标准值比较，调节输出值来动态改变峰值设定，将干伸长度上的电压变化补偿，从而保证电弧上的压降不变。该焊丝干伸长控制和电弧电压补偿系统从原理上只可能用于自动焊系统(焊枪与工件的距离不变)。而且，由于焊丝干伸长的反馈信号来自焊接平均电流的检测，系统控制的动态响应很慢，难以获得较好的效果。d.电弧电压负反馈系统，将电弧电压引入负反馈系统，期望消除或减少在扰动发生时弧长的变化。有些文献也称之为所谓的“弧长负反馈系统”，实质上反馈量是电弧电压，因为电弧电压不代表弧长。一般电弧电压取自焊接回路两端，电弧电压为:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脉冲MIG焊接电弧控制系统，其特征在于：通过切换阶梯形电源外特性中恒压特性段的给定值Ub和Up来获得焊接电压、电流的脉冲波形；通过将送丝速度的前馈控制信号Vf、电弧弧长反馈控制信号Ul和电弧长度设定信号La在比较放大器（21）中叠加后控制维弧定时器（17）输出的维弧宽度Tb，实现送丝速度的前馈开环控制和电弧弧长的闭环负反馈控制；电弧弧长的反馈信号是这样获得的：维弧期间的弧长信号用运行在恒流电源特性下的维弧电压表示，脉冲期间及其后沿过渡过程的弧长信号用脉冲发生前一时刻的上述维弧电压表示；在维弧期间电弧运行在恒流电源特性下，电弧电压Ua通过闭合的电子开关（23）、电压保持器（24）和放大校正器（25）形成弧长反馈信号Ul进入弧长控制的比较放大器（21），经过校正放大器（22）后调节维弧宽度定时器（17）的输出维弧宽度Tb；在脉冲Tp及其后沿过渡过程期间，或门（26）获得了脉冲宽度Tp及其后沿过渡过程期间的信号，关断电子开关（23），并切断了电弧电压信号Ua，电压保持器（24）保持电子开关切断前一时刻的维弧电压作为该脉冲Tp及其后沿过渡过程期间的弧长信号。

【技术特征摘要】
1.一种脉冲MIG焊接电弧控制系统，其特征在于:通过切换阶梯形电源外特性中恒压特性段的给定值Ub和Up来获得焊接电压、电流的脉冲波形；通过将送丝速度的前馈控制信号Vf、电弧弧长反馈控制信号Ul和电弧长度设定信号La在比较放大器(21)中叠加后控制维弧定时器(17)输出的维弧宽度Tb，实现送丝速度的前馈开环控制和电弧弧长的闭环负反馈控制；电弧弧长的反馈信号是这样获得的:维弧期间的弧长信号用运行在恒流电源特性下的维弧电压表示，脉冲期间及其后沿过渡过程的弧长信号用脉冲发生前一时刻的上述维...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪东升，
申请(专利权)人：广州友田机电设备有限公司，
类型：实用新型
国别省市：