低熱輸入變極性短路過渡GMAW焊接系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著薄板和超薄板焊接技術(shù)在汽車、集裝箱等企業(yè)中大量應(yīng)用,對焊接過程提出了低熱輸入的要求。短路過渡變極性控制是一種新型的低熱輸入焊接方法,日益受到關(guān)注。然而這種方法尚處于發(fā)展的初期階段,國外參考資料少,國內(nèi)研究目前還處于起步階段。因此,對短路過渡的控制及能量分配原理進(jìn)行深入研究,提出理想的變極性控制方案,并研制出焊接系統(tǒng)平臺,是目前焊接技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要課題。
　　為了滿足低熱輸入短路過渡的變極性控制,本文設(shè)計(jì)了雙芯DSP控制的焊接

2、電源系統(tǒng),由主電路、控制電路和送絲系統(tǒng)三部分組成。雙芯分別負(fù)責(zé)控制電路和送絲系統(tǒng),兩者通過CAN總線進(jìn)行通信。主電路結(jié)構(gòu)采用二次逆變結(jié)構(gòu),一次逆變采用全橋雙零軟開關(guān)逆變器,通過PWM控制獲得焊接過程中所需的能量;二次逆變采用帶耦合電感的半橋逆變結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)電流的極性變換,達(dá)到低熱輸入的目的。控制系統(tǒng)以DSP為核心,實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)序控制,采用數(shù)字PID算法,實(shí)現(xiàn)PWM控制的數(shù)字化。采用了固定點(diǎn)采樣的數(shù)值處理方法和整周期協(xié)調(diào)控制的策略,保證

3、了控制的精度和穩(wěn)定性。針對傳統(tǒng)的軟開關(guān)逆變電源無法滿足700W以下的低功率輸出的問題,創(chuàng)造性地提出“兩級連續(xù)PWM控制方法”,使逆變電源能在全橋和半橋兩種工作方式下切換,解決軟開關(guān)逆變電源小功率輸出的問題,從而真正實(shí)現(xiàn)低熱輸入。
　　數(shù)字化送絲系統(tǒng)是數(shù)字化焊接電源的重要組成部分,其性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的精度及焊接過程穩(wěn)定性,因此提高送絲系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和快速響應(yīng)性是焊接過程中不可回避的問題。本文設(shè)計(jì)了受限單極式可逆PWM調(diào)速電

4、路,控制芯片采用DSP,通過CAN總線與焊接電源的控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。通過采樣電流斷續(xù)時(shí)的電樞感應(yīng)電壓,采用數(shù)字PI方法調(diào)節(jié)PWM占空比,維持電樞感應(yīng)電壓恒定,從而保證送絲電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定。采用模糊PI控制技術(shù)在線整定PI參數(shù),可提高送絲系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。試驗(yàn)表明,送絲系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能均高于一般的電樞電壓負(fù)反饋控制,能夠完美地實(shí)現(xiàn)送絲穩(wěn)定性。提出基于弧壓負(fù)反饋的變速送絲系統(tǒng)來解決分段恒流控制引起的弧長不穩(wěn)定的問題。該系統(tǒng)采用雙閉環(huán)模糊PI控

5、制,內(nèi)環(huán)采用感應(yīng)電壓負(fù)反饋的模糊控制,提高送絲速度的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性;外環(huán)采用電弧電壓負(fù)反饋,調(diào)節(jié)送絲速度,保證弧長的穩(wěn)定性。試驗(yàn)證明,該方法還能實(shí)現(xiàn)恒弧長、等熔深的控制。
　　通過對短路過渡過程中熔滴受力情況的分析,提出一種波形控制方法,在短路初期降低電流減小瞬時(shí)飛濺,在短路末期液橋爆斷之前迅速降低電流,使熔滴在表面張力的作用下穩(wěn)定過渡。在燃弧期間采用大恒流+小恒流控制,可精確控制燃弧能量、改善焊縫成形。通過對DCEP和 DC

6、EN時(shí)焊絲和工件的熱作用分析,提出了一種變極性控制方法:在短路末期實(shí)現(xiàn)DCEP→DCEN,不影響熔滴過渡和電弧穩(wěn)定性;在燃弧初期采用DCEN實(shí)現(xiàn)焊絲的快速熔化、減小熔池沖擊、提高熔敷效率;在燃弧后期DCEN→DCEP,對熔滴進(jìn)行整形,便于熔滴過渡。提出一種電流控制方法,可避免燃弧后期極性變換時(shí)的熄弧問題,在電流過零前施加較大的燃弧脈沖,保證電流換向的順利進(jìn)行。提出一種短路限流加慢送絲的引弧方法,提高了引弧成功率。
　　在分析短路過

7、渡電弧物理特性的基礎(chǔ)上,利用Matlab/Simulink工具建立了GMAW焊接電源-電弧系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型。功率變換單元以實(shí)際應(yīng)用電路和器件為原型,所建模型能實(shí)現(xiàn)固定臂的零電流開關(guān)、移動(dòng)臂的零電壓開關(guān)。通過移動(dòng)臂占空比的調(diào)節(jié),驗(yàn)證了軟開關(guān)逆變電路存在最小輸出功率的問題,采用“兩級連續(xù)PWM控制方法”可以降低功率輸出。數(shù)字控制單元能根據(jù)電弧電壓和電流信號實(shí)時(shí)計(jì)算主電路IGBT的驅(qū)動(dòng)信號,實(shí)現(xiàn)分段恒流控制,使焊接電流與給定的波控信號具有很好