鎖孔效應TIG焊機控制系統

劉志忠

鎖孔效應TIG焊機控制系統

劉志忠

（廣東福維德焊接股份有限公司）

針對傳統中厚度金屬板材焊接效率較低、焊縫質量不高等問題，研發一種鎖孔效應TIG焊機控制系統，并提出一種焊接電流控制方法。利用嵌入式高速處理器，實時驅動控制大功率逆變電源模塊，輸出最高可達1000 A的精確可控焊接電弧電流，使熔池迅速貫穿焊件，在焊件背面形成并維持鎖孔效應。焊接試驗結果表明：該系統能夠實現單面焊雙面成型，無需開坡口和添加焊材即可實現凸焊縫，且焊縫美觀、變形量小、背面不需清根，焊接效率可達傳統TIG/GTAW的5~10倍，節約焊接成本，具有較高的工業應用價值。

TIG；鎖孔效應；深熔弧焊

0　引言

惰性氣體鎢極保護焊（tungsten inert gas, TIG），因具有保護效果好、焊縫質量高、易觀察、易操作和可焊材料范圍廣等特點，在碳鋼、不銹鋼和鈦合金等有色金屬材料的焊接領域廣泛應用。傳統的TIG焊接電弧電流較小（≤300 A），熔深較淺，一般單道焊接熔深只能達到2 mm~4 mm。因此，TIG焊一般用于薄板焊接或厚壁重要構件的底層熔透焊道打底焊。

對于中厚度（>4 mm）金屬板材的焊接，傳統做法是先在連接處根據實際板厚開相應角度的坡口，再進行多層多道焊接。這樣不僅焊接效率低，還可能導致焊接變形和熱影響區增大，影響焊縫質量。如鈦合金材料熱影響區增大意味著晶粒長大，導致其韌性急劇下降[1]。若不開坡口、一次焊接就能全部焊透，可減少焊件開坡口和焊接的工時，提高焊接效率；不用或少用填充焊材，可降低焊接成本。

為此，本文研發一種鎖孔效應TIG焊機控制系統，輸出的焊接電流最高可達1000 A，焊接時熔池產生鎖孔效應，并實現單面焊雙面成形。

1　系統架構

鎖孔效應TIG焊機控制系統總體結構框圖如圖1所示，包括主控制電路、人機界面、焊接電源控制、控制開關、高頻起弧、電流平衡、雙路驅動、雙路IGBT和運行狀態信號反饋處理等模塊。

鎖孔效應TIG焊機控制系統控制流程：人機界面產生控制指令并輸入主控制電路模塊；主控制電路模塊根據控制指令包含的工藝參數生成焊接控制時序數據，并將該數據傳送給焊接電源控制模塊；焊接電源控制模塊根據焊接控制時序數據控制控制開關模塊對高頻起弧模塊產生開/關動作，并使電流平衡模塊輸出激勵控制信號，且通過電流平衡模塊使雙路驅動模塊輸出電流的差異在限定范圍內；雙路驅動模塊依據激勵控制信號使雙路IGBT模塊輸出最高1000 A直流電流，并與高頻起弧模塊產生的高頻脈沖高壓信號疊加輸入焊槍。

2　模塊功能

2.1 主控制電路模塊

主控制電路模塊包括32位高速ARM微處理器和外圍接口電路單元，用于將用戶選定的工藝參數數據換算生成焊接控制時序數據，并將數據傳送到焊接電源控制模塊。焊接電源控制模塊根據焊接工藝要求，控制焊機實現焊前送氣、起弧、維持電弧、收弧和延后收氣等一系列焊接程序控制。

2.2 人機界面

人機界面包括液晶顯示模塊、薄膜按鍵輸入模塊、線控開關輸入模塊、ENET網絡接口處理模塊和報警單元模塊，用于接收控制數據，并顯示、輸出焊機的系統設置信息、焊接工況及提示信息。

圖1 鎖孔效應TIG焊機控制系統總體結構框圖

薄膜按鍵輸入模塊將用戶輸入指令轉換成特定編碼數據，并將該編碼數據傳送至主控制電路模塊。

線控開關輸入模塊將用戶的按鍵輸入進行編碼轉換并傳送給主控制電路模塊。

ENET網絡接口處理模塊提供網絡接口，可遠程接受用戶已編制的焊接工藝參數腳本文件，或讀取焊機當前使用焊接工藝參數數據。

報警單元模塊在焊機發生異常狀況時，接收主控制電路模塊的控制信號，并向用戶發出報警警示信號。

2.3 焊接電源控制模塊

焊接電源控制模塊接收主控制電路模塊傳來的焊接控制時序數據，并通過控制開關模塊打開或關閉相應開關，結合運行狀態信號反饋處理模塊反饋的焊接電流和焊接電壓信號，經過數/模轉換生成向電流平衡模塊輸出的電流激勵信號。

2.4 控制開關模塊

控制開關模塊包括焊槍保護氣氣閥開關、冷水機電源開關和焊槍開關等單元，用于開關焊槍保護氣氣閥、開關冷水機電源以及通過控制高頻起弧模塊工作完成焊槍起弧。

2.5 高頻起弧模塊

高頻起弧模塊產生高頻脈沖高壓信號，并將脈沖高壓信號加載到焊接電源輸出的負極，使焊槍鎢棒的尖端與焊件間產生電弧。

2.6 電流平衡模塊

電流平衡模塊接收焊接電源控制模塊傳送來的控制信號和激勵信號，通過內部以主從方式連接、并聯運行的兩路電流定頻PWM脈沖發生器電路，輸出兩路平衡的PWM脈沖信號到雙路驅動模塊。同時電流平衡模塊通過運行狀態信號反饋處理模塊監測雙路IGBT模塊的兩路IGBT輸出。一旦這兩路IGBT電流輸出的差異達到限定程度，電流平衡模塊自動關斷PWM脈沖輸出，以保護下級功放電路。

2.7 雙路驅動模塊

雙路驅動模塊分別對從電流平衡模塊輸入的兩路PWM脈沖信號進行隔離，并轉換為適用于驅動雙路IGBT模塊的信號。

2.8 雙路IGBT模塊

雙路IGBT模塊包括兩路并聯工作的IGBT電路單元、雙路IGBT輸出合并單元、整流單元和濾波器單元，用于向焊槍輸出穩定、最大可達1000 A的直流電流，完成焊件的焊接工作。

2.9 運行狀態信號反饋處理模塊

運行狀態信號反饋處理模塊包括焊接電流反饋模塊、焊接電壓反饋模塊、溫度信號反饋模塊、冷水機運行狀態反饋模塊和兩路IGBT輸出反饋模塊，用于監測系統運行時的焊接電流、焊接電壓、功率器件溫度以及冷水機運行狀況等信號，并將這些信號做必要的電氣隔離后反饋給焊接電源控制模塊。

3　系統控制流程

焊機控制系統流程圖如圖2所示。焊接時，焊槍鎢棒通過導電桿連接焊接電源負極，待焊接工件連接焊接電源正極時，用戶通過人機界面模塊啟動運行并選擇工藝參數；主控制電路模塊運算生成焊接控制時序數據，并將其傳送到焊接電源控制模塊；焊接電源控制模塊依次控制開啟冷水機電源開關、焊槍保護氣閥門，焊槍循環冷卻水運轉，保護氣體從焊槍嘴持續流出。

圖2 焊機控制流程圖

一定時間后，鎢針與待焊焊件之間的空間充滿保護氣體，焊接電源控制模塊輸出引弧激勵電流到電流平衡模塊；由其產生兩路平衡的PWM脈沖驅動雙路驅動模塊和雙路IGBT模塊工作，在焊槍鎢極尖端與工件表面形成穩定的直流電壓。

焊接電源控制模塊控制開關模塊開啟焊槍開關，控制高頻起弧模塊輸出高頻高壓信號并加載到焊接電源負極激發電弧；焊機電源的正極與負極間導通，電弧產生后，高頻起弧模塊隨即停止工作；雙路IGBT模塊輸出基值電流維持電弧；焊接電源控制模塊控制根據焊接控制時序數據向電流平衡模塊輸出逐漸增加的激勵電流，通過電流平衡模塊、雙路驅動模塊和雙路IGBT模塊的工作，使電弧電流逐漸增大，焊件上的熔池逐漸加深，最終熔池熔透焊件并形成鎖孔效應。

焊接電源控制模塊通過運行狀態信號反饋處理模塊的反饋信息監測并控制電弧電流保持穩定；工裝裝置驅動焊槍與焊件之間做勻速位移；焊件在電弧的作用下熔池沿焊縫不斷前移，使得焊接過程持續進行；當熔池到達焊縫末端時，用戶通過人機界面模塊向主控制電路模塊發出停止焊接指令；主控制電路模塊隨即向焊接電源控制模塊發送收弧指令；焊接電源控制模塊按照焊件控制時序數據逐漸降低激勵電流，最終使電弧熄滅完成收弧工作。在電弧剛剛熄滅時，焊件和焊槍的溫度仍然很高，焊接電源控制模塊按照焊件控制時序數據維持焊槍保護氣閥開關和冷水機電源開關處于開啟狀態，直到焊件、焊槍溫度降低到適宜的程度才關閉保護氣閥開關和冷水機電源開關。

4　系統性能分析

鎖孔效應TIG焊機控制系統最大可輸出1000 A的焊接電流，能一次焊透16 mm厚度的鈦及其合金板材，是一種能實現鎖孔效應焊接的新型焊接系統。其鎖孔是自然形成的，因為電弧不經過壓縮，主要靠大電流形成的電弧力與液體金屬靜壓力、表面張力平衡形成[2]。熔池中液體金屬流圍繞著鎖孔流動而不會導致金屬流失，使焊接熔深增加。

對鈦合金工件進行焊接試驗，焊縫成形如圖3所示。

圖3 鎖孔效應TIG焊縫正面及背面成形

鎖孔效應TIG焊機控制系統通過在熔池底部可能形成孔洞的地方有意地增大電弧壓力，在這些點上，焊接電弧穿透了工件的下表面，當熱輸入足夠熔透工件時就能形成鎖孔。電弧等離子體從鎖孔瀉出工件，從而有效解決了電弧對熔池的擾動、普通大電流TIG焊接時出現的焊縫空洞、蠕蟲狀氣孔等焊接質量問題。

設為根據焊接材料與工件厚度而確定的常數；起弧電流為I；時間變量為；系數為。為使熔池在工件上形成鎖孔效應，鎖孔效應TIG焊機控制系統通過主控制模塊控制雙路IGBT模塊，控制焊機輸出電流按式(1)快速平滑上升至熔池穿透電流I，并把穿透電流I保持輸出時間T穿透焊件；產生鎖孔效應后迅速降低輸出電流至焊接電流I，維持穩定焊接電流至焊接結束，并控制焊機輸出電流按照式(2)收弧，焊接電流在焊接過程的波形變化如圖4所示。

=+I(1)

圖4 焊機輸出電流波形圖

通過焊接電源控制模塊、電流平衡模塊、雙路驅動模塊、雙路IGBT模塊和反饋處理模塊組成一個閉環控制回路。在焊接開始階段，控制焊接電流快速上升至熔池穿透電流I；熔池在電弧壓力的作用下，迅速向下擴張，經過T時間后熔池貫穿焊件到達其背面，在焊件背面形成一個液態的孔洞；電弧等離子體從這個孔洞泄出熔池；電弧等離子體泄出熔池后，電弧對熔池的反沖作用力迅速降低，熔池內部液態金屬的流動方向趨于穩定，形成鎖孔效應；因為此時的電弧電流較大，電弧對熔池的能量輸入大于熔池的逸散能量，熔池體積仍在增加，焊件背面的液態孔洞也在增大；電源控制模塊通過電流平衡模塊和雙路驅動模塊驅動控制雙路IGBT模塊輸出電流快速降低到焊接電流I，從而使熔池的輸入熱量與逸散熱量達到相對平衡，熔池體積和形態相對穩定。隨著焊槍沿著焊縫向前對焊件做相對勻速運動，在運動方向熔池前方的未熔金屬隨著電弧的移近而熔化，熔池后部的部分液態金屬隨著電弧的遠離而溫度降低，凝固形成焊縫。

5　結語

本文研發一種鎖孔效應TIG焊機控制系統以及輸出電流控制方法，焊機最大可輸出1000 A焊接電流；適合對碳素合金鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳基合金鋼、鈷合金和鋯等材料的中厚板材進行焊接。對碳素合金鋼的一次性焊穿厚度達11 mm；對不銹鋼和鎳基合金一次性焊穿厚度達13 mm；對鈦合金、鈷合金和鋯等一次性焊穿厚度達15 mm ~16 mm。可實現單面焊雙面成形，無需開坡口，焊縫美觀、變形量小、背面不需清根，焊接效率可達傳統TIG焊的5~10倍，節約焊接成本，具有較高的工業應用價值。

[1] 王磊.激光輔助活性TIG焊接法研究[D].蘭州:蘭州理工大學,2008.

[2] 栗海霞.K-TIG焊接電弧特性的數值分析[D].蘭州:蘭州理工大學,2011.

Control System of TIG Welding Machine with Keyhole Effect

Liu Zhizhong

(Guangdong Fu Weide Welding Co., Ltd.)

Aiming at the problems of low welding efficiency and quality of traditional medium thickness metal sheet welding, a control system of TIG welding machine with keyhole effect was developed, and a control method of welding current was proposed.Using embedded high-speed processor, real-time driving control of high-power inverter module is carried out, and accurate and controllable welding arc electricity up to 1000 amperes is output, so that the molten pool quickly penetrates the weldment, forming and maintaining the keyhole effect on the back of the weldment. The results show that this method can realize single-side welding and double-sided forming without grooving and adding welding materials. Moreover, the welding seam is beautiful, the deformation is small, and the back side does not need root cleaning. The welding efficiency can reach five to ten times of the traditional TIG/GTAW, which greatly saves the welding cost and has high industrial application value.

TIG; Keyhole Effect; Deep Penetration Arc Welding

劉志忠，男，1969年生，本科，工程師，主要研究方向：嵌入式計算機軟硬件控制。E-mail: 1815106221@qq.com