DSP控制CO2焊引弧研究

金健，姚河清，雷小偉

(河海大學機電工程學院，江蘇常州213022)

DSP控制CO2焊引弧研究

金健，姚河清，雷小偉

(河海大學機電工程學院，江蘇常州213022)

CO2焊是一種生產效率高、成本低的高效焊接方法。傳統的CO2焊采用接觸式短路引弧，引弧時間長、成功率不高、穩定性差。分析了影響和提高引弧成功率的因素，并以DSP控制焊機為平臺，設計了一種通過限制引弧過程焊接電流來進行引弧的方法。該引弧方法中，焊接過程中的電流為被控制對象，在電壓為空載及以上，短路剛發生即電流不為零時就對電流進行控制，使整個引弧過程中電流值不大于給定峰值，從而達到限制引弧電流的目的。試驗證明，該方法引弧時間短、一次性引弧成功率高、穩定性好，為后續CO2焊接穩定可靠的進行提供了有利條件。

CO2氣體保護焊；DSP控制；限流引弧

0 前言

短路過渡是CO2氣體保護焊通常采用的熔滴過渡形式，易于實現全位置焊接。其引弧方式采用接觸式引弧，也稱為短路引弧。引弧成功與否、能否一次性可靠的引弧，直接關系到后續焊接能不能正常進行，尤其是在焊接自動化領域。而引弧時如果控制不當會出現大段的爆斷。這種爆斷一方面會直接影響焊接質量，造成焊縫缺陷，影響美觀；另一方面，有可能造成斷弧，造成再次引弧，浪費時間。因此，提高引弧成功率和穩定性是CO2焊可靠穩定運行的重要前提。

本研究通過自建的基于德州儀器TMS320F2806 DSP控制逆變CO2焊機平臺，設計出一種引弧方法，該方法以限制引弧時電流為手段。試驗證明，在此平臺本焊機一次引弧成功率高且電弧穩定、飛濺小。

1 引弧過程焊絲受熱分析和影響引弧成功的因素

1.1 焊絲受熱分析

如圖1所示，CO2氣體保護焊引弧時首先送進焊絲，并逐漸接近工件，當焊絲接觸工件的一瞬間，電源提供較大的電流，迫使焊絲在A點(焊絲端頭與母材的接觸點)爆斷，進一步引弧。如果在B點(焊絲與導電嘴接觸點)爆斷，則引弧必將失敗。

圖1 引弧示意Fig.1 Chart of arc ignition

假設Ra為A點的接觸電阻，Rb為B點與焊槍間的接觸電阻。A、B點要想發生爆斷，那么在這兩點附近的電阻熱必須足夠大，而電阻熱的大小與接觸電阻的大小有關。在焊絲與工件接觸的瞬間，Rb基本不變，Ra可以瞬間為無窮大。隨著短路電流的增加，A點迅速軟化，Ra急劇減小。此時，如果能夠保證A點比B點先熔斷，那么必須在Ra很大時快速上升短路電流，即提高短路電流增長速度dis／dt。否則隨著時間的增加，如果在B點附近的電阻熱大于A點附近電阻熱，那么A點不能及時爆斷，而是B點發生爆斷，必將導致引弧失敗，并有可能發生回燒導電嘴的現象，損壞焊接設備。

1.2 影響引弧成功的因素

常見的提高引弧成功率的方法有：對焊接電源特性采用啟動補償；提高電流上升率dis／dt；提高短路峰值電流；慢送絲引弧；并聯電容法；去球FTT或引弧前預先用鋼絲鉗將焊絲末端剪尖；在半自動CO2氣體保護焊時采用滑擦引弧方式；在電極與工件之間并聯電容；增加瞬時引弧電流，改善引弧性能等[1－5]。

早期的接觸式引弧研究主要是解決引弧成功率的問題。傳統概念上的引弧成功的標志是：焊絲與工件接觸后，電弧能夠在焊絲與工件之間迅速引燃。引弧失敗的標志是：焊絲與工件接觸后，電弧在焊絲與導電嘴之間引燃出現問題，并導致焊絲成段爆斷。而解決上述問題的途徑就是提高引弧階段的短路電流上升速度dis／dt。

現代逆變焊機中，焊接回路的電感值較小，使焊接回路的動態響應速度大大提高，其動態響應速度可以小于1 ms。因此逆變電源引弧時，短路電流增長速度很快，保證A點先于B點熔化，一次引弧成功率為100%。但傳統意義上的引弧由于在恒電壓外特性下，焊接電流是被動的，故焊接電流處于不受控狀態下。這種不受控的焊接電流波動性較大，一方面會燒毀功率器件，另一方面會引起焊絲發生成段的爆斷，導致整個引弧過程失敗。

2 CO2限流引弧法

根據上述分析，引弧過程中對焊接電流進行控制將大大提高引弧過程的穩定性，能夠保證可靠的一次性引弧成功。本平臺以此為目的，設計了一種通過控制引弧時電流來達到穩定可靠引弧的程序，充分發揮數字信號處理器高速運算的能力，實時采樣電壓、電流值，有效控制引弧的各個過程，以此來限制引弧過程中的電流值。

由于送絲速度的快慢也是引弧成功與否的關鍵因素，故本平臺在引弧過程采用慢送絲引弧。整個限流控制過程簡述如下：焊絲以慢送絲速度送進，當焊絲接觸到工件，焊絲與工件之間發生短路，焊接電壓迅速下降，同時在電壓下降的過程中電流上升；當電壓還在空載時，電流產生瞬間，即起動引弧程序，不斷采樣電流得到反饋值，反饋值與給定值進行比較，通過PI調節改變占空比，經輸出電抗器濾波后使實際輸出的電流值與給定值趨于一致，最終達到控制電流的目的。在整個引弧過程中，電流始終是可控的，而且從調節過程來看，整個過程也可稱為恒電流引弧過程。

現代逆變焊機中，輸出回路的電感值較小，大約為幾十μ H，使得短路電流上升速度較快，故焊接回路動態響應速度高，電流上升速度快，動態響應時間大約為0.5～1.5 ms，滿足引弧時電流上升率需求。但傳統的接觸式短路引弧，焊絲與工件接觸后，電壓會迅速下降，通常是電壓下降到短路電壓后對電壓進行判斷，從而進入引弧程序，電流通常是不可控的，整個引弧過程穩定性差。而本平臺采取的限流引弧法，從電壓在空載以上并且出現電流(剛短路)時即對電流進行控制，使整個引弧電流值不超過給定的峰值電流值，避免過大的不可控的短路電流對電路和引弧過程的沖擊，在很大程度上提高引弧過程的穩定性。

具體控制流程如圖2所示。

程序流程詳述如下：當電源控制電路檢測到手柄開關合上后，打開氣閥，提前送氣2 s，送氣完成后，電源輸出60 V空載電壓，同時以2 m／min速度送進焊絲。焊絲接觸到工件后發生短路，電壓下降，電流上升，檢測電路不斷地檢測電壓、電流值，電壓以45V為判斷標準，電流以是否為零作為判斷標準。當檢測到電流不為零，而電壓為45～60 V的任何狀態，那么即進入恒電流引弧程序。在恒電流引弧控制程序中，通過電流檢測，比較采樣值與給定值并加以調節，使實際電流能夠從零迅速增大到300 A，在瞬間使焊絲在A點附近發生爆斷。A點爆斷后，焊絲與工件之間出現一段微小的間隙，由于從短路接觸到A點附近發生爆斷的瞬間，電壓會從短路電壓上升到較大值，兩極之間的電場強度急劇增大，擊穿焊絲末端和工件之間的間隙，產生大量電壓較低的金屬蒸汽，在強電場的作用下能發生強烈的場致發射和場致電離，大大增加帶電粒子數量，那么后續焊接電源就能夠提供電流，引燃電弧；當檢測電路檢測到電流不為零，同時電壓為10～45 V，即判定引弧成功，進入正常的焊接程序，并通過CAN總線向送絲控制系統發送正常焊接信號，送絲控制系統接收到信號后以正常焊接工藝參數設定的送絲速度送進焊絲。完成此整個過程才能實現成功引弧。在整個引弧過程中，只要檢測到電流為零，即認為熄弧或者是引弧不成功，進行再次慢送絲引弧。

圖2 限流引弧控制流程Fig.2 Flow chart of limiting arc ignition control

3 試驗結果和分析

3.1 試驗結果

試驗平臺：采用自搭建數字控制軟開關逆變式焊機和實心焊絲進行CO2氣體保護焊接接觸引弧試驗。試驗條件：保護氣體為100%CO2；氣體流量15L／min；焊絲直徑φ 1.2mm；焊絲牌號H08Mn2Si；送絲方式為等速送絲，慢送絲速度2m／min，正常送絲速度3.5m／min、6.5m／min；正常燃弧電壓為24V恒壓；試驗用板材為低碳鋼，尺寸300 mm×80 mm×6 mm；導電嘴與工件間距離15mm，焊槍運動方向與工件垂直。

在自動焊的條件下進行引弧，引弧成功后分別采用兩種送絲速度進行焊接，引弧時的電壓和電流波形如圖3所示。其中波形A為焊接電壓(經分壓濾波后得到)，波形B為焊接電流(霍爾電流傳感器采得的電流經采樣電阻得到，故顯示的是電壓值)。其中波形A中，每格為13 V；波形B中，每格為330 A；橫坐標為時間軸，每格為10 ms。

圖3 焊接實時波形Fig.3 Real－time waveform of welding

其他條件不變，兩種不同的送絲速度下，焊縫照片如圖4所示。

圖4 不同送絲速度下焊縫照片Fig.4 Welding seam on different wire weeding speed

3.2 試驗結果分析

(1)電壓波形。

兩種不同的正常送絲速度下，起始段電壓都處于空載60 V，當焊絲以同樣速度慢送絲時，焊絲接觸到工件，兩電極之間接觸發生短路，此時電壓會快速下降到短路電壓，電流迅速上升。由于電壓采樣電路采用濾波處理，示波器對電壓波形亦進行了濾波處理，并且整個短路接觸時間極短，故實時波形圖中從空載電壓到短路電壓、再由短路電壓到正常燃弧電壓段波形未完全顯示出來。但在圖3中，電流由零開始上升點，對應于電壓下降到的點，大約為48 V，與程序設計相符；正常的燃弧電壓均在24 V，亦符合設定的燃弧電壓24 V。

(2)電流波形。

由于輸出回路電感值較小，電流從零到峰值段斜率很大，時間很短，說明電流上升速率很快，傳統的電流上升率僅為100 000 A／s，而本試驗約為800 000 A／s，大大提高引弧的成功率[7]。同時，電流峰值約為160 A，并沒有達到程序設計的300A時電弧就已經引燃。該現象說明電流峰值被限制在300 A及以下，因此這種方法可以稱為限制電流法引弧，如果引弧電流能達到300 A就以300A恒電流輸出，如果達不到300A，那么就以300A以下恒電流輸出。整個引弧過程中，電流始終處于可控的狀態下。

(3)引弧時間。

圖3中，電壓從空載60 V到正常焊接電壓，整個過程大約1～2 ms，而這個過程就是引弧過程。傳統的引弧整個過程約為9～10 ms。本平臺引弧時間短，一方面是由于回路電感值較小，電流上升非常快，從零到峰值大約1 ms，另一方面，整個引弧過程中，焊接參數穩定，達到了一次性可靠引弧。而引弧時間與電流上升時間近乎相等，也證明了本平臺對電流的控制策略是正確的。

(4)引弧穩定性。

兩種不同正常送絲速度下得到的焊縫如圖4所示。引弧段處于整個焊縫的開始處，由圖4可知，開始處，飛濺小，焊縫成形良好，無斷弧現象出現。其主要原因是通過程序對整個引弧段電流進行控制，避免了傳統引弧時電流不穩定造成的飛濺大、斷弧等現象。同時，從焊接實時波形圖中也可以看到，從空載到正常燃弧段，焊接電壓、電流波形均是一個平穩過渡的過程。而引弧段良好的焊縫成形亦是焊接電壓、電流穩定性的體現。

4 結論

通過對CO2接觸引弧動態過程的研究，充分發揮DSP芯片處理速度快的優點，研究設計了一種引弧控制方案，建立以數字焊接電源為核心、焊接過程參數采集分析系統為輔的試驗平臺。試驗表明，本研究設計的引弧方法能極大的縮短引弧時間，且引弧過程穩定、可靠性強。一次可靠性的引弧，為以后的CO2焊穩定可靠地進行奠定了基礎。

[1]王宗杰.熔焊方法及設備[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2]李量玉.焊接電弧引弧機理的探討[J].焊接學報，1997(12)：238－243.

[3]韓德斌.提高焊機的一次引弧成功率[J].東北電力技術，1994 (8)：41－43.

[4]李嘉嵋.晶閘管手弧焊機的引弧性能和電弧推力分析[J].電焊機，1994，24(1)：16－18.

[5]程韜波.機器人焊接系統中起弧收弧問題的研究[J].機器人，1998(6)：412－415.

[6]殷樹言.CO2焊接設備原理與調試[M].北京：機械工業出版社，2000.

Study on DSP controlled CO2arc ignition

JIN Jian，YAO He－qing，LEI Xiao－wei
(College of Mechanical＆Electrical Engineer，Hohai University，Changzhou 213022，China)

CO2welding is a method with high efficiency and cost low.Touch short－circuit arc ignition is used in Traditional CO2welding，this method usually costs too much time，has a low success rate and poor stability.The article analyzes the factors of success rate.Basing on DSP controlled，we design a method of arc ignition by limiting short－circuit current.In this method，the controlled object is current.When the voltage is in no－load or over voltage and the current is not zero，we begin to control the current，the aim is to make the current blow the given peak current，and at last we can achieve the aim to limit the current in arc ignition.The experiment proved that this method costs shorter time，has a higher success rate and strong stability.So，this method can provided favorable conditions for CO2arc welding.

CO2gas shielded arc welding；DSP controlled；arc ignition by limiting current

book=6,ebook=1

TG409；TG434.5

A

1001－2303(2012)06－0043－04

2011－01－13

金健(1985—)，男，安徽滁州人，碩士，主要從事焊接設備及自動化方向相關工作。