直流脈沖MIG焊機控制系統及程序控制

2013-08-06 04:34:32杭爭翔王其俊張景泉

電焊機 2013年10期

杭爭翔，王其俊，張景泉

（沈陽工業大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽 110178）

0 前言

直流脈沖MIG焊接技術是當前焊接工程中應用廣泛的高效焊接技術，研究發展直流脈沖MIG焊機是擴大應用這種焊接技術的基礎。近年來焊接行業非常重視直流脈沖MIG焊機的研究開發技術工作，致力于研發新型直流脈沖MIG焊機，其弧焊電源電力電路由晶閘管變流向IGBT變流發展，其控制核心由分立元器件控制向單片機控制發展，控制技術展現先進性，正是如此，直流脈沖MIG焊接技術得到不斷發展及提高。

根據目前已發表文獻來看，關于MIG焊接技術及其控制技術有論文報道[1-6]，對熔化極電弧焊的引弧問題有論文報道[7-11]，但是對MIG焊的焊接程序控制，尤其是關于MIG焊的收弧及下次啟弧的控制技術還沒有介紹。其實這是個很重要的技術問題，收弧不好，下次啟弧的可靠性就不好，從而會影響焊接過程可靠性及焊接質量。

介紹了自主研發的直流脈沖MIG焊機及其控制系統、直流脈沖MIG焊機焊接程序控制的兩步控制方式和四步控制方式；闡述了直流脈沖MIG焊機其焊接過程中的啟弧、焊接、添弧坑、收弧過程及其控制技術；介紹了收弧控制原理及控制參數選擇原則。

1 直流脈沖MIG焊機構成和控制系統

圖1 脈沖MIG焊機系統基本原理

弧焊電源電力變流系統主要由接觸器KM、三相整流橋、濾波電容（C1、C2）、均壓電阻（R1、R2）、全橋逆變電路（由IGBT1～IGBT4構成）、逆變變壓器、帶變壓器中心抽頭的整流電路（由VD1、VD2構成）、濾波電感L、電流變換電路、電壓變換電路等構成。三相380 V交流電經接觸器KM送入三相整流橋整流，其整流輸出電壓經濾波電容（C1、C2）濾波以后輸出540 V直流電壓，該電壓就是全橋逆變電路的直流電源。均壓電阻R1與C1并聯、R2與C2并聯，使得C1、C2上的電壓均等。全橋逆變電路逆變輸出的交流電輸入逆變變壓器，逆變變壓器降壓輸出的交流電經整流電路整流及電感濾波，之后輸出到電弧負載。弧焊電源輸出的電流經電流變換電路獲得電流反饋信號Uif，輸出電壓經電壓變換電路獲得電壓反饋信號Uuf。

焊機控制系統主要由單片機控制系統、IGBT驅動電路、保護電路（IGBT過流及過熱保護）、PWM脈寬調制電路、焊接條件設定電路、焊接參數設定電路、顯示電路、模數轉換電路A/D1及A/D2、數模轉換電路D/A1及D/A2、啟動信號等構成。

IGBT驅動電路由EXB841和外圍元器件構成。當IGBT運行過程中出現過電流現象時，IGBT過電流保護電路在有效時間之內發出信號，從而使IGBT被立即關斷，避免IGBT出現過流損壞，起到過流保護作用；當IGBT運行過程中出現過熱現象時，IGBT過熱保護電路發出信號，IGBT亦被立即關斷。

焊接條件設定包括設定焊絲直徑、兩步控制方式或四步控制方式。焊接參數設定包括設定焊接電流（即送絲速度）、焊接電壓。顯示電路顯示設定的焊接條件及焊接參數，并且顯示實際的焊接參數。

電流反饋信號Uif經A/D1輸入單片機控制系統，電壓反饋信號Uuf經A/D2輸入單片機控制系統。單片機控制系統輸出數字量，經D/A1輸出模擬電壓Uc去控制PWM的脈沖寬度，單片機控制系統輸出數字量經D/A2輸出模擬電壓去控制送絲速度。

焊槍啟動開關用于啟動或停止焊接過程。

2 送絲驅動系統和氣閥驅動電路

送絲驅動系統驅動送絲電動機旋轉送絲，系統原理如圖2所示。送絲啟動信號WST為高電平時，開關電路工作于開關狀態，開關電路輸出電壓去驅動送絲電動機旋轉；此時制動控制電路輸出低電平，能耗制動電路工作于截止狀態，此時沒有也不能有能耗制動功能。當送絲啟動信號WST為低電平時，開關電路工作于截止狀態，其無輸出電壓；此時制動控制電路輸出高電平，驅動能耗制動電路處于導通狀態，送絲電動機能耗制動。設計能耗制動的主要作用是在停止焊接、收弧的瞬時，送絲電動機立即停止轉動、即立即停止送絲。

圖2 送絲驅動系統原理

送絲電動機的電樞電壓Ud由開關電路控制，通過閉環負反饋控制電樞電壓Ud。在D/A2輸出電壓Uwr一定的情況下，電樞電壓Ud反饋值若小于Uwr，則運算放大器輸出的控制電壓Uwc增加，其控制脈寬調制電路，使其輸出的脈寬增加，在開關電路的開通周期時間內，其開通時間增加將導致電樞電壓Ud增加，反之亦然。通過控制送絲電動機的電樞電壓就可以實現控制送絲速度穩定，這樣構成送絲速度半閉環控制系統。

海爾風幕8°油煙機搭載上量子級直流變頻電機——FPA（斐雪派克）電機，直接驅動煙機，精準控制電機轉速，從而實現煙機風量、風壓的無極變頻，給煙機提供澎湃動力的同時，避開了普通交流電機高速（1000轉/分鐘）旋轉時會產生的共振，所以會格外平穩安靜。同時，海爾廚電還整合了FPA（斐雪派克）電機，采用整機BMC塑封技術，成就行業更低風噪比，給用戶帶來全新的吸油煙機使用體驗。

D/A2的輸出電壓Uwr增加，送絲速度增加，反之亦然，所以通過調節Uwr可實現調節送絲速度。

氣閥驅動電路為電磁氣閥提供直流24 V的驅動電壓。當單片機控制系統發出的數字信號為高電平時，經氣閥驅動電路輸出直流24 V電壓，驅動電磁氣閥動作，氣路被開通，焊接保護氣體送到電弧區域；當單片機控制系統發出的數字信號為低電平時，經氣閥驅動電路輸出的電壓為零，電磁氣閥復位，焊接保護氣路被關斷。

3 焊接過程和啟弧、收弧過程控制

直流脈沖MIG焊機的焊接程序控制可以采用兩步控制方式，也可以采用四步控制方式。兩步控制方式和四步控制方式是依據焊接啟動開關的動作次數來命名。

直流脈沖MIG焊機的兩步程序控制時序如圖3所示。圖3a是啟動開關（半自動焊時，啟動開關安裝在焊槍的把手上；自動焊時，啟動開關安裝在控制操作面板上）的動作時序，“ON”時刻合上啟動開關，將啟動焊接過程，而且在焊接過程中要保持啟動開關的閉合狀態；“OFF”時刻打開啟動開關，將停止焊接。從中可以看出，啟動開關合上——開始焊接，啟動開關關斷——停止焊接，焊接過程是由啟動開關的兩個動作進行控制的，所以稱為兩步控制方式。根據啟動開關的控制動作，控制系統按照圖3b～圖3e的時序分別控制送保護氣（見圖3b）、送焊絲（見圖3c）、弧焊電源輸出電壓（見圖3d）和弧焊電源輸出電流（見圖3e）。

圖3 熔化極氬弧焊兩步控制時序

圖3b中送保護氣時間區間為t1～t5，t1為提前送氣時間，t5為滯后停氣時間。圖3c中時間t2為啟弧慢送絲時間，在此時間區間焊絲沒有接觸到工件，弧焊電源輸出空載電壓，慢送絲預備啟弧；因為還沒有啟弧，弧焊電源輸出電流為零。當焊絲接觸到工件時，短路引燃電弧，引燃電弧后送絲速度平穩上升到正常焊接的送絲速度，焊接電流上升到正常焊接電流值，正常焊接時間為t3。

在t3完結束時刻，即在打開啟動開關瞬時立即停止送絲，即要求送絲控制系統將送絲電動機轉速立即降到零。在此之后、熄弧之前的很短的t4時間稱為收弧時間。在此時間區間，弧焊電源輸出電壓和電流使從焊槍導電嘴送出的焊絲被回燒，使收弧之后從焊槍導電嘴送出的焊絲長度適中；其次，在熄弧之前的1.5～3 ms區間，弧焊電源輸出電流要大于該焊絲射滴過渡的臨界電流，由此控制快速過渡一個熔滴，形成該熔滴過渡的瞬時立即熄弧，這樣使熄弧之后的焊絲端頭不留下較大的金屬熔球，熄弧之后的焊絲端頭直徑基于等于焊絲直徑；采用這樣的過程控制是為了下次啟弧的可靠性和啟弧質量。

由圖3可知，焊接過程中有五個時間參數t1、t2、t3、t4、t5，以及其中的送絲速度、弧焊電源輸出電壓及電流等參數。t2時間段有啟弧慢送絲速度，啟弧之后的正常焊接時間t3時間段有焊接電流和焊接電壓，收弧過程中有收弧時間t4和其中的電壓及電流。

焊機操作面板上的調節參數有焊接電流和焊接電壓兩個參數。從控制角度來講，調節焊接電流，是通過調節圖3c中t3時間段的送絲速度來調節焊接電流，送絲速度決定焊接電流，弧焊電源輸出焊接電流的時序如圖3e所示。焊接電壓就是圖3d中的t3時間段的弧焊電源輸出電壓。

除焊機操作面板上的調節參數（焊接電流和焊接電壓兩個參數）外，焊接過程中的其余參數（包括啟弧慢送絲速度、收弧時間t4及其中電壓及電流等）是沒有在焊機操作面板上設計調節功能的，這些參數設計固化在控制系統中。

直流脈沖MIG焊機的四步控制時序如圖4所示。圖4a是啟動開關的動作時序，當啟動開關第一次閉合（第一個“ON”）時，啟動焊接過程；當焊接電弧穩定燃燒之后，就可以打開啟動開關（第一個“OFF”），此后保持電弧繼續燃燒狀態即繼續進行焊接；當再次按下啟動開關（第二個“ON”）時，自動降低送絲速度，降低焊接電壓及焊接電流，進行填弧坑，此時的焊接電壓、焊接電流稱作填弧坑電壓、填弧坑電流；其時間區間稱作填弧坑時間；當弧坑填滿之后打開啟動開關（第二個“OFF”），之后回燒焊絲端、收弧、停止焊接。在此焊接過程中，由焊槍啟動開關的四個動作來進行控制，所以稱為四步控制方式。

控制系統根據啟動開關的動作，按照圖4b～圖4e的時序分別控制送保護氣（圖4b的t1～t6區間）、送焊絲（圖4c的t2～t5區間）、弧焊電源輸出電壓（圖4d的 t2～t5區間）和弧焊電源輸出電流（圖 4e的t3～t5區間）。

由上述可知，兩步控制方式沒有填弧坑的過程，四步控制方式有填弧坑過程。實際焊接時根據焊接工藝需要來選擇使用兩步控制方式還是四步控制方式，在焊機操作面板上可以選擇。

圖4 熔化極氬弧焊四步控制時序

由圖4可知，焊接過程中的參數有六個時間參數 t1、t2、t3、t4、t5、t6，以及送絲速度、弧焊電源輸出電壓及電流等參數。t2時間段有啟弧慢送絲速度，啟弧之后的正常焊接區間t3時間段內有焊接電流及焊接電壓。填弧坑時間段t4區間有填弧坑電流及電壓。收弧過程中有收弧時間t5和其中的電壓及電流，收弧控制過程與兩步方式下的收弧控制過程相同。

焊機操作面板上的調節參數有焊接電流和焊接電壓、填弧坑電流及電壓等四個參數。通常填弧坑電流小于焊接電流、填弧坑電壓小于焊接電壓。焊接過程中的其余參數設計固化在控制系統中。