用于Plasma-MIG复合焊枪的电弧引弧控制系统及控制方法

摘要

本发明公开了一种用于Plasma-MIG复合焊枪的电弧引弧控制系统，包括PLC控制模块、接口电路模块及程序控制模块，其中，所述PLC控制模块与程序控制模块相连接，所述PLC控制模块和程序控制模块通过接口电路模块与焊枪相连接。同时还公开了其控制方法。本发明在起弧过程中对MIG焊机及等离子焊机的输出进行控制，采用自行设计的控制模式来控制焊机输出，通过调用设定的起弧控制模式及自主设计的起弧控制程序，解决了在不同焊接参数及焊接材料下，Plasma-MIG复合电弧难起弧或者无法起弧的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及焊接过程控制技术领域，具体是一种用于Plasma-MIG复合焊枪的电弧引弧 控制系统及控制方法。

背景技术

采用复合热源是实现高效化焊接的一种有效途径。复合电弧并不是简单的热源叠加，而 是在深刻理解每种热源特点和机理的基础上进行优差互补的整合过程，可同时提高焊接质量 和效率。

Plasma-MIG复合焊是目前国内外正在进行系统研究的复合热源焊接工艺，这种焊接技术 是等离子电弧和熔化极惰性气体保护焊(MIG)接方法的结合，由于其焊枪结构的独特性，干 伸长大，而且压缩后的等离子弧中心温度很高，焊丝融化速度快。等离子弧与MIG电弧在空 间进行耦合，焊丝底端、熔滴与MIG电弧也都包围在炽热的等离子弧内部，熔滴受力、熔化 极电流走向等都发生了很大变化，由此产生了这种工艺方法的一系列特点，即焊丝熔化速度 快、无飞溅、焊接过程稳定，气孔少、晶粒小、接头质量高等。适用于厚板的深熔焊和薄板 的高速焊，是一种高效的焊接工艺。

Plasma-MIG复合电弧焊接关键在于实现等离子弧和MIG电弧的稳定耦合。然而在复合电 弧起弧过程中，通常采用先引燃MIG电弧后激发等离子电弧的方式，在不同的焊接参数下， MIG电弧产生的电离气氛存在差异，存在无法建立等离子电弧的问题，造成Plasma-MIG复合 电弧起弧困难或者无法起弧的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种用于Plasma-MIG复合焊枪的电弧 引弧控制系统及控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种用于Plasma-MIG复合焊枪的电弧引弧控制系统，包括PLC控制模块、接口电路模 块及程序控制模块，其中，所述PLC控制模块与程序控制模块相连接，所述PLC控制模块和 程序控制模块通过接口电路模块与焊机相连接

所述PLC控制模块包括：CPU子模块、数字量输入/输出子模块、模拟量输入/输出子模 块以及数据通讯模块，所述CPU子模块为控制核心，并分别与焊枪的熔化极焊接电源、等离 子弧焊接电源以及弧焊机器人的运动系统相连接，所述数字量输入/输出子模块和模拟量输 入/输出子模块与CPU子模块相连接，用于工艺参数读取和传输，所述CPU子模块、数字量 输入/输出子模块和模拟量输入/输出子模块通过数据通讯模块与接口电路相连接，实现焊接 信息交换。

所述接口电路模块包括：焊接电源通讯子模块、弧焊机器人通讯子模块以及主控制器通 讯子模块；所述焊接电源通讯子模块连接焊枪的熔化极焊接电源和等离子弧焊接电源；所述 弧焊机器人通讯子模块连接焊枪的弧焊机器人和变位机；所述主控制器通讯子模块连接PLC 控制模块和焊枪的显示终端；所述焊接电源通讯子模块、弧焊机器人通讯子模块以及主控制 器通讯子模块分别通过RS-232或CAN总线进行数据连接，实现PLC控制模块对Plasma-MIG 复合焊接过程的协调控制。

所述程序控制模块包括：起弧控制程序子模块和焊接过程监测程序子模块，所述起弧控 制程序子模块包含起弧参数和焊接参数的转换单元，并与PLC控制模块相连接；所述焊接过 程监测程序子模块与焊枪的弧焊机器人和焊枪的焊接电源相连接，实现焊接过程电弧状态监 测及焊枪运动、熔化极焊接电源和等离子弧焊接电源的协调动作。

一种用于Plasma-MIG复合焊枪的电弧引弧控制系统及控制方法的控制方法，包括以下 步骤：

步骤一，设定熔化极焊接电源及等离子弧焊接电源焊接过程的焊接参数，然后初始化程 序控制模块中的控制程序；

步骤二，焊接开始后调用起弧控制模式，通过改变熔化极焊接电源和等离子弧焊接电源 的输出状态控制电弧的燃烧过程，实现电弧的稳定耦合；

步骤三，电弧耦合成功后转入正常焊接模式，控制焊接机器人按照设定的轨迹运动，焊 接过程中监控熔化极焊接电源和等离子弧焊接电源的输出状态，当复合电弧出现断弧现象后 重复步骤二。

所述控制程序具体为：焊接开始后利用短路过程建立MIG电弧后，同时触发控制信号为 高电平输出；PLC调入起弧控制模式，控制熔化极焊接电源和等离子弧焊接电源输出起弧参 数，在起弧控制模式下，当击穿电压小于等离子弧焊接电源空载电压后等离子弧引燃，电弧 复合成功。

所述起弧控制模式具体为：引弧过程中熔化极焊接电源的输出电压线性增加，与之对应 的熔化极焊接电源的电流则采用线性衰减，造成熔化速度大于送丝速度，使得熔化极焊接电 源的电弧上升，降低击穿空气所需电压逐渐，增加电弧复合成功率。

所述起弧控制模式采用线性增加时输出熔化极焊接电源电压增加速率为10V/s-40V/s， 所述熔化极焊接电源电流衰减速率为10A/s-50A/s。

本发明提供的用于Plasma-MIG复合电弧引弧的控制系统及其控制方法，在起弧过程， 对MIG焊机及等离子焊机的输出进行控制，采用自行设计的控制模式来控制焊机输出，通过 调用设定的起弧控制模式及自主设计的起弧控制程序，解决了在各种焊接参数及焊接材料 下，Plasma-MIG复合电弧难起弧或者无法起弧的问题，提高了电弧复合成功率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和 优点将会变得更明显：

图1为本发明控制方法的程序流程图；

图2为本发明控制系统的焊机输出控制模式转换原理图；

图3为Plasma-MIG复合焊枪结构示意图；

图中：1为离子气，2为保护气，3为等离子电弧，4为MIG电弧，5为工件，6为水冷 喷嘴，7为环形等离子阳极，8为MIG导电嘴，9为中心气体。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下实施，给出 了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不 脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

本实施例提供了一种用于Plasma-MIG复合焊枪的电弧引弧控制系统，包括PLC控制模 块、接口电路模块及程序控制模块，其中，所述PLC控制模块与程序控制模块相连接，所述 PLC控制模块和程序控制模块通过接口电路模块与焊机相连接

进一步地，所述PLC控制模块包括：CPU子模块、数字量输入/输出子模块、模拟量输入 /输出子模块以及数据通讯模块，所述CPU子模块为控制核心，并分别与焊枪的熔化极焊接 电源、等离子弧焊接电源以及弧焊机器人的运动系统相连接，所述数字量输入/输出子模块 和模拟量输入/输出子模块与CPU子模块相连接，用于工艺参数读取和传输，所述CPU子模 块、数字量输入/输出子模块和模拟量输入/输出子模块通过数据通讯模块与接口电路相连 接，实现焊接信息交换。

进一步地，所述接口电路模块包括：焊接电源通讯子模块、弧焊机器人通讯子模块以及 主控制器通讯子模块；所述焊接电源通讯子模块连接焊枪的熔化极焊接电源和等离子弧焊接 电源；所述弧焊机器人通讯子模块连接焊枪的弧焊机器人和变位机；所述主控制器通讯子模 块连接PLC控制模块和焊枪的显示终端；所述焊接电源通讯子模块、弧焊机器人通讯子模块 以及主控制器通讯子模块分别通过RS-232或CAN总线进行数据连接，实现PLC控制模块对 Plasma-MIG复合焊接过程的协调控制。

进一步地，所述程序控制模块包括：起弧控制程序子模块和焊接过程监测程序子模块， 所述起弧控制程序子模块包含起弧参数和焊接参数的转换单元，并与PLC控制模块相连接； 所述焊接过程监测程序子模块与焊枪的弧焊机器人和焊枪的焊接电源相连接，实现焊接过程 电弧状态监测及焊枪运动、熔化极焊接电源和等离子弧焊接电源的协调动作。

具体为：

所述PLC控制模块为复合焊接控制系统核心，包括如下子模块：CPU模块、数字量及模 拟量输入输出模块和数据通讯模块。所述CPU模块为控制程序核心，按照实现设定的焊接时 序控制焊接电源输出状态和机器人系统的协调动作，实现双电弧的稳定燃烧；数字量和模拟 量输入输出模块完成焊接过程中电弧燃烧状态参数和预设工艺参数的读取及传输，为CPU控 制程序提供判定依据；数据通讯模块实现焊接电源、焊接机器人及显示终端的信息交换。

所述接口电路模块包括如下子模块：焊接电源通讯模块、弧焊机器人通讯模块、主控制 器通讯模块。其中焊接电源通讯模块分别连接熔化极焊接电源和等离子弧焊接电源，在焊接 过程中实现工艺参数输出控制和状态检测；弧焊机器人通讯模块连接机器人和变位机，完成 焊机输出状态和焊枪运动的协调动作；主控制器通讯模块连接PLC控制器和触摸屏等显示终 端，完成整个焊接过程的监控。接口电路各子模块通过RS-232或CAN总线等通讯方式进行 连接。

所述程序控制模块包括如下子模块：起弧控制程序子模块和焊接过程监测程序子模块， 所述起弧控制程序子模块包含起弧参数和焊接参数的转换；所述焊接过程监测程序子模块实 现焊接过程电弧状态监测及焊枪运动和焊接电源的协调动作。

本实施例提供的用于Plasma-MIG复合焊枪的电弧引弧控制系统，其控制方法包括以下 步骤：

步骤一，设定熔化极焊接电源及等离子弧焊接电源焊接过程的焊接参数，然后初始化程 序控制模块中的控制程序；

步骤二，焊接开始后调用起弧控制模式，通过改变熔化极焊接电源和等离子弧焊接电源 的输出状态控制电弧的燃烧过程，实现电弧的稳定耦合；

步骤三，电弧耦合成功后转入正常焊接模式，控制焊接机器人按照设定的轨迹运动，焊 接过程中监控熔化极焊接电源和等离子弧焊接电源的输出状态，当复合电弧出现断弧现象后 重复步骤二。

进一步地，所述控制程序具体为：焊接开始后利用短路过程建立MIG电弧后，同时触发 控制信号为高电平输出；PLC调入起弧控制模式，控制熔化极焊接电源和等离子弧焊接电源 输出起弧参数，在起弧控制模式下，当击穿电压小于等离子弧焊接电源空载电压后等离子弧 引燃，电弧复合成功。

进一步地，所述起弧控制模式具体为：引弧过程中熔化极焊接电源的输出电压线性增加， 与之对应的熔化极焊接电源的电流则采用线性衰减，造成熔化速度大于送丝速度，使得熔化 极焊接电源的电弧上升，降低击穿空气所需电压逐渐，增加电弧复合成功率。

进一步地，所述起弧控制模式采用线性增加时输出熔化极焊接电源电压增加速率为 10V/s-40V/s，所述熔化极焊接电源电流衰减速率为10A/s-50A/s。

具体为：

如图1所示，设计Plasma-MIG复合电弧起弧控制程序流程图，首先设定MIG焊机及等 离子焊机的输出参数，其次，初始化程序控制模块中的控制程序。

利用熔化极焊接电源的短路过程建立MIG电弧，然后控制焊接电源改变输出状态，使得 MIG电弧的长度增加，从而降低等离子电弧的击穿电压，产生复合电弧，然后控制焊接输出 实现设定好的工艺参数，开始焊接。焊接过程中循环检测焊接回路中的熔化极电流和等离子 弧电流的输出值，并进行实时调整，实现复合焊接。

所述起弧控制模式即在焊接开始之前根据焊枪高度设定MIG电压、MIG电流和送丝速度 为的初始值及增量值等引弧参数，焊接开始后根据电弧燃烧状态控制焊接电源按照预设参数 输出，促使MIG电弧长度增加，减小空气隙的击穿电压，从而建立等离子电弧，实现复合过 程，电弧复合成功后输出预先设定的工艺参数，开始焊接过程。

焊接开始后按照设定速度送进焊丝，采集焊丝端部与工件之间电压值代入控制程序进行 判断，若此时为空载电压范围，当检测到回路中出现对应的MIG电流后，触发短路电流Signal 控制信号为高电平输出。将Signal信号作为PLC控制程序的判定信号，从而将图2所示的 起弧控制模式程序调入到PLC控制模块中，使MIG焊机保持如图2所示的起弧电压及电流输 出。MIG焊丝接触工件发生短路过程引弧，MIG电弧较短，无法击穿环形铜极与MIG电弧之 间的空气引燃等离子弧。采取控制程序使MIG电压升高，从而加大等离子极与MIG电弧间的 击穿电压。升高MIG电压的同时降低MIG电流(降低送丝速度)，使MIG电弧因为送丝速度 的降低而向上爬升，从而MIG电弧高度H减小，环形铜极(Plasma极)与MIG电弧之间的空 气被击穿，从而引燃等离子弧，实现复合电弧耦合。

当起弧程序通过PLC控制模块调入焊机中后，检测复合电弧的等离子电流，在焊机的输 出电压达到上限值后，若反馈的等离子电流I_p＝0，说明等离子电弧未引燃，双电弧复合失败， 重新初始化控制程序，调用起弧控制模式。若此时I_p＝1则说明等离子弧成功引燃，建立复合 电弧。此时，焊机会反馈给PLC一个触发信号，从而触发PLC控制模块调用焊机中预设的焊 接参数；当焊机按照初始设定的焊接参数进行输出时，PLC控制模块与机器人通讯，按照预 设焊接速度及示教轨迹行走，令从而完成P l asma-MI G复合焊接。

依据电弧击穿空气的物理原理设计双电源输出时序图，采用先建立MIG电弧，后建立等 离子电弧的过程实现双电弧的复合。如图3所示，通过控制电弧的燃烧状态调节MIG电弧与 等离子阳极表面距离H，在焊接开始之前根据焊枪高度设定MIG电压、MIG电流和送丝速度 的初始值及增量值等引弧参数，焊接开始后根据电弧燃烧状态控制焊接电源按照预设参数输 出，促使MIG电弧长度增加，H减小，从而建立等离子电弧。

焊接开始后通过短路过程建立MIG电弧，此时MIG电弧较短，H较大，击穿空气所需电 压大于等离子弧焊接电源的输出电压，因此法击穿环形铜极与MIG电弧之间的空气引燃等离 子弧；起弧控制模式下MIG电源的输出电压采用线性增加方式输出，使得焊丝的熔化速度增 加；同时控制焊接电源以线性衰减方式降低MIG电流，从而使焊丝送进速度减小，在两者作 用下，MIG电弧加速爬升，MIG电弧与等离子阳极之间的距离H减小，击穿空气所需电压减 小。

当击穿空气所需电压小于等离子电源的空载电压后，焊接回路中等离子弧电流I_p为非零 值，说明等离子电弧引燃，与已经存在的MIG电弧实现耦合，形成复合电弧，可以开始焊接 过程。

当线性增加的MIG电压达到预设上限值后说明复合失败，送丝机构重新送进焊丝，重复 控制程序。

所述引弧过程中MIG电压为10-20V，所述MIG电流为80-280A，MIG电压增加速率为 10V/s-40V/s，所述MIG电流衰减速率为10A/s-50A/s。