一种双丝MAG焊接控制方法及其焊接电源

摘要

一种双丝MAG焊接控制方法，是一种将焊接电流反馈和电压反馈按照预定的要求分时与给定信号比较，并通过控制电路控制主电路进行焊接，在焊接过程中使焊接频率不变，两台焊机保持一定的相位关系从而保证焊接稳定性的方法；根据这种控制方法所设计的控制电源，特征在于在控制电路部分(9)采用切换电路(B)，主要包括输入端分别与主电路部分相连的电流采集电路(B1)和电压采集电路(B2)，及顺次连接的切换开关(B3)、比较器(B4)、积分比例调节器(B5)，积分比例调节器通过放大电路(4.2)将信号输出到焊接功率输出部分(8.7)。本发明实现了两台电机的相位可控，提高了电弧稳定性、降低了飞溅。

说明书

技术领域

本发明涉及用于双丝MAG焊接的控制方法及其焊接电源，属于焊接设备及自动化领域。

背景技术

双丝MAG焊作为一种可行的高效焊接方法，目前还尚处于发展阶段，大家对这种方法的理解还不完全相同，对一些具体问题的看法还没有达成共识。从其工艺的形式来看，现在主要有两种，一种是同步双弧(Twin arc)，另一种是独立双弧(Tandem)，这两种形式的工艺特点有所不同。对于Twin arc系统这种形式，采用两个完全相同的脉冲焊接电源(也可只使用一个电源)，两套送丝机构，一个能够容纳两根焊丝的导电嘴(两根丝不是相互绝缘的)，共用一个熔池。焊接时，两个电源输出脉冲频率相同，两个焊丝通过的电流也相同，即两根丝以相同的速度熔化到熔池中。Twin arc的优点就是，利用电弧自身调节，两个电源之间无需协调通信控制，系统相对简单，如图1所示。但它的缺点也很明显，比如电弧的可控性差，两根焊丝间的相互影响力较大，很难精确控制两根焊丝的熔化及熔滴过渡。而Tandem系统这种形式如图2所示，也是采用两台完全相同的脉冲焊接电源，两套送丝机构，所不同的是采用两个互相绝缘的导电嘴，两电源间通过通信进行协调控制，使两台电源的焊接过程更加迅速和完善。这两台电源，脉冲能量恒定，保证在任何电流时，一个脉冲过渡一个熔滴。与Twin arc系统最大的不同就是，Tandem系统可以使两台电源分别设置不同的焊接参数，相互间可以通过协调控制，这样就可以减小双丝焊接大电流时电弧之间的相互干扰程度。因此，Tandem焊接方法得到业界普遍的推崇。然而不论哪种工艺形式，现有产品在电弧稳定性和焊缝成形以及相位可控性等方面均不是特别令人满意，并且飞溅大。究其原因，这是由于采用的逆变电源的控制方法不当造成的。

现在的多数焊接逆变电源的控制方法多采用双闭环控制方法，外环为电压环，内环为电流环，如专利ZL99103518.6中所述。其控制的状态量为电流I，对于存在不同焊接状态阶段的不同焊接方法来说，虽然各个阶段控制的电流波形要求不同，但是其反馈量却均为单一量电流，因此不存在信号切换问题。这种普遍运用于逆变焊机中的控制方法简称为双恒流或多恒流控制方法，如专利03127961.9所述。在脉冲焊接过程中，为保证过渡过程为一脉一滴，其脉冲阶段的时间和脉冲电流的大小均保持不变，而是改变脉冲基值时间，因此其频率是始终变化的。然而对于采用Tandem工艺的双丝MAG焊接来说，由于焊机和送丝机均由两台构成，为了降低两台焊接设备相互干扰，提高焊接稳定性，所以就需要在两台焊接设备间建立起相互协调的工作机制，即应该通过协调控制的方法，使其稳定地工作于预定的状态。因此，当两台焊机工作在相对固定的频率时，普遍运用于单丝焊接设备的双恒流和多恒流控制方法就表现出其不适应性来。而且，即便是采用一些其它办法能够控制两台焊机相位关系固定，也多是限于同相和反相这两个极端情况，而不能达到相位任意可调以适应不同的焊接状况，因此其应用受到很大的限制。

发明内容

基于普遍运用于单丝焊接的控制方法和现有的双丝MAG焊接控制方法的不足，本发明的目的是：采用Tandem工艺，提出一种可以良好控制两台焊机协调工作，保证电弧稳定性及良好焊缝成型，降低两电弧的相互干扰的相位可控的双丝MAG逆变焊接控制方法和相应焊接电源。

本发明所提出的双丝焊接系统控制方法，其特征在于：它是一种将焊接电流反馈和电压反馈按照预定的要求分时与相应给定信号比较，并通过控制电路控制主电路进行焊接，在焊接过程中保证焊接频率不变，两台焊机保持一定的相位关系从而保证焊接稳定性的方法；该种方法是在具有相互通信的两台双丝焊接电源中分别实现的。其系统包括主电路部分8和控制电路部分9，其中控制电路部分9又包括核心控制部分A，控制执行部分B，外围设备控制及执行部分C，前面板的输入及键盘/显示部分D。其中控制电路部分9的输入包括来源于主电路部分8的焊接电流采样B1、电压采样B2和另一台焊机的协调控制信号C1，其输出控制主电路的逆变电路8.3和送丝机；具体讲，它依次主要包括以下步骤：

1)首先根据实际要求，确定焊接参数：包括送丝速度V、峰值电压Up、峰值时间Tp、频率F、基值电流Ib、相位关系DLY；其功能通过前面板的输入及键盘/显示部分D来实现；

2)在焊接执行时，根据输入的频率F和峰值时间Tp确定出脉冲阶段和基值阶段对应的定时器数值，并启动软件定时器中断进行自动控制转换，使其在脉冲基值阶段，输出的给定信号和采取的反馈信号为电流给定信号和电流反馈信号，即保证电流的恒定；在脉冲峰值阶段，输出的给定信号和采取的反馈信号为电压给定信号和电压反馈信号，使焊机在不同的焊接阶段输出不同的控制信号和给定信号。由此构成不同的闭环控制，从而保证在每台焊机频率恒定的条件下实现稳定焊接，这是通过控制电路部分9来实现的。给定A2和切换信号A3按照预设参数，在基值和峰值间同时转换，完成电压和电流控制；

3)在焊接过程中，主焊机在由基值转换为峰值的同时，将通过串行通信电路C1向从焊机发出一串行通讯信号，从焊机通过本身的串行通信电路C1在收到此信号后，将其设定为基值阶段，并按照给定的相位关系DLY值，确定此基值时间，完成任意指定相位差控制；此步骤是通过串行通信中断实现的。

4)在过程3)中，若由于干扰等因素未能使从焊机收到主焊机发出的中断信号，则从焊机将按照自己原先预设的参数进行焊接，直到收到主焊机的串行通讯信号为止。

本发明的设计思想为：对于控制方法的选择，也即本发明的核心部分，采用电压-电流控制方法。所谓电压-电流控制方法，即在焊接过程中分别保证峰值电压(Up)和基值电流(Ib)恒定。其原理为：在脉冲峰值阶段，反馈信号采取电压，保证电压为一个定值，若电弧受到干扰则弧长恢复主要依靠峰值电流的变化引起平均电流变化来进行调节，系统的调节能力和电源的最大输出电流有关。这种方式在峰值阶段实际上是一种平的电源外特性。当弧长变化时，这种外特性产生的电流偏差ΔI2，将大于用下降电源外特性的电流偏差ΔI1，熔化速度也就变化的快，亦即平的电源外特性的弧长恢复的快，电源电弧系统的自身调节作用较强。这种控制方式在一定脉宽时间Tp范围内可以通过较宽峰值电流Ip范围的调整达到一脉一滴稳定的过渡过程。在脉冲基值阶段，反馈信号采取电流，即保证电流的恒定，从而使电弧在此阶段保证电流稳定，保证电弧稳定燃烧而不熄灭。由此模式决定了整个脉冲过程频率恒定，因而能够稳定的工作在预定的相位差下，实现预设焊接过程。

根据本发明所述的方法设计的焊接电源，主要包括主电路部分8和以单片机为控制中心的控制电路部分9，其特征在于：所述的控制电路部分9采用切换电路B并且单片机系统通过串行通信电路C1与另一台焊机的电源相连。所述的切换电路B主要包括输入端分别与主电路部分相连的电流采集电路B1和电压采集电路B2，及顺次连接的切换开关B3、比较环节B4、积分比例调节器B5、脉宽调制电路B6、IGBT驱动电路B8。其中切换开关B3包括两个输入端、一个输出端和一控制端：两个输入端分别与电流、电压采集电路B1、B2相连，控制端与单片机系统输出的切换信号A3相连，通过来自单片机的切换信号A3来控制定时切换，使其在焊接脉冲峰值阶段切换到采集电压，在焊接脉冲基值阶段切换到采集电流，输出断接比较环节B4。比较环节B4的另一输入端与单片机系统输出的给定信号A2相连，其功能为用来完成来自B1的反馈电流和来自B2的反馈电压与来自给定A2的值的比较，其差值输入到积分比例调节(PI)B5。脉宽调制电路B6的另一输入为保护电路B7，IGBT驱动电路B8的输出为逆变电路8.3。

所述的控制电路部分9主要包括核心控制部分A，控制执行部分B，外围设备控制及执行部分C，前面板的输入及键盘/显示部分D；所述的核心控制部分A由单片机系统A1组成，输入部分包括输入到A/D转换A4的电流采样B1和电压采样B2和输入到于短路判断A5的电压采样B2。其中A/D转换A4用来在焊接时经过80C196KC单片机系统和显示部分D的处理，实时显示实际焊接电流和电压值；短路判断信号A5保证在焊接过程中短路情况发生时，单片机系统能获得信息；所述的外围设备控制及执行部分C包括执行核心控制部分A与另一台焊机进行双向通信的串行通信C1、光电隔离部分C2、输出端通过光电隔离部分C2输入到单片机系统A1的焊枪开关C3、输入端通过光电隔离部分C2与单片机系统A1相连的送丝给定C4和气阀C5，输入端与送丝给定C4、输出端与外部送丝机相连的送丝机调速电路C6；所述的前面板的输入及显示部分D包括输入端与单片机系统A1相连的键盘显示驱动电路D1、输入端与键盘显示驱动电路D1相连的焊接参数显示D3、输出端通过键盘显示驱动电路D1与单片机系统A1相连的焊接参数预置D4、输出端与单片机系统相连的编码旋钮给定D2。

与现有技术相比，本发明采用的控制方法及焊机电源具有以下优点：

1、焊接过程稳定，飞溅小，电弧稳定性强。由于本发明方法采用U/I控制模式，能够更好的控制两个电弧的干扰程度，选择更优的工艺参数匹配，所以能够提高电弧稳定性和降低飞溅。

2、焊接规范宽，相位可以任意匹配。根据本发明的控制思想建立的焊机，采用两台焊机相互通信，通过软件控制实现两台焊机的相位关系匹配，能够实现两台焊机从完全同相到完全反相间的相位调节控制。

3、通过采样信号在电压和电流间不断切换，焊机工作在相对固定的频率下，保证了焊接的稳定性。并且因为增加了一切换电路，增加了焊机控制的灵活性，当只需要电压或电流一种采样反馈信号时，通过使切换信号A3置高或置低，同样适用，从而大大增加了焊机控制的灵活性。

附图说明

图1 Twin arc焊接系统简图

图2 Tandem焊接系统简图

对于图1和图2，其中：1-焊接电源，2-焊嘴，3-送丝机，4-工件，5-电弧，6-焊丝，7-两台焊机的连接通道。

图3焊机结构组成图

图4控制执行部分B的具体电路

图5主程序软件方案图

图6焊接程序框图

图7AD中断框图

图8软件定时器中断框图

图9两台焊机穿行通信中断程序框图

具体实施方式

现在将结合附图对本实例进行说明。

本实例采用图2所示的模式。

本发明的一个具体实例单台焊机结构组成图如图3所示，总体上主包括两部分：焊接电源主电路部分8和以80C196KC为核心的控制电路部分9。主电路输入电压为三相380V；输入整流8.1采用富士整流桥整流，型号为FUJ6RI100G-160；逆变电路8.3采用全桥逆变结构，由四只型号为BSM150GB120DN2的IGBT组成；中频变压器8.4采用超微晶磁芯，变压比为15∶2；滤波8.6采用磁芯饱和电感，电感量约40μH；控制部分采用基于80C196KC单片机的控制系统，主要完成时序控制，并能够实现两台焊机的相位关系在0至180度之间变化；键盘/显示部分采用8279键盘/显示芯片实现键盘的管理和数码管的动态扫描显示。下面将结合附图对其进行详细说明。

其工作顺序为：三相输入380V交流电首先经过8.1输入整流部分进行整流和8.2滤波后，变为540V的直流。此后此直流电经过8.3逆变电路(此由控制电路部分控制)逆变和8.4中频变压器的降压隔离后变为20KHZ的交流电，然后经过8.5输出整流器和8.6的滤波后变为焊接所用的大电流低电压直流，供给8.7焊接功率输出。由于以上电路的工作频率为20KHZ，同时输出电感也很小(40μH左右)，调整逆变开关频率或脉宽可以达到微秒级的控制，所以该类型电源反应速度快，动态性能好。

各部分的组成及功能分别为：

核心控制部分A主要由80C196KC单片机组成，其输入部分包括输入到A/D转换A4的电流采样B1信号和电压采样B2信号以获得焊接实时焊接电压电流值；输入到短路判断A5的电压采样B2信号，获得短路信号，达到监控焊接状态的目的。另一个输入部分是从部分C获得的，包括从串行通信电路(C1)中获得的另一台焊机的协调控制信息输入和通过光电隔离(C2)后获得的焊枪开关信号(C3)。第三个输入部分来于部分D的键盘显示输入驱动电路(D1)和编码旋钮给定(D2)部分，获得焊接初始参数。部分A作为核心控制部分，主要完成对焊接参数输入和外部信号的响应，并经过软件处理和转化后对B、C、D三部分进行控制，使整个焊接系统协调工作，完成预定的焊接目的。

本发明的硬件部分主要在控制执行部分B，其特征在于：加入了切换开关B3来控制反馈信号的转换。其输入部分为来源于焊接功率输出部分8.7的电流采样B1和电压采样B2，并经来源于部分A中切换信号A3的控制，分时接通电流采样B1和电压采样B2，然后与相应时段的给定A2经比较环节B4比较后，输入到积分比例调节(PI)B5，经信号处理后输出到脉宽调制电路B6，同时输入到B6的还有来源于保护电路B7的保护信号，此两个信号经B6的PWM脉宽调制后，输入到IGBT驱动电路B8，经处理后输入到逆变电路8.3，完成此控制功能。B3、B4、B5的具体电路如图4所示：其中U1A为切换开关B3，本实例采用H4053，其引脚1、2分别接电压采样B2和电流采样B1，引脚10通过电阻R1接切换信号A3，引脚15为输出引脚，其输出信号和给定信号A2比较后输入到放大器U2(CA3140)的负相输入端(2脚)，通过反馈电阻R6和电容C1构成积分比例调节(PI)，并经过电阻R7输出到脉宽调制电路B6。其中D1、R8、R9构成限压电路，避免R7输出到脉宽调制电路B6的电压过高。

部分C为外围设备控制及执行部分。其中串行通信C1执行着本台焊机核心控制部分A与另一台焊机的双向通信，包括两台焊机的协调控制和信号反馈，使其能工作于预定的形式，保持两台焊机按要求同步工作或相差一定的相位角。光电隔离部分C2则执行着来源于焊枪开关C3对部分A的输入，以及部分A对送丝给定C4和气阀C5的输出控制。其中C4又通过送丝机调速电路C6达到控制外部送丝机的目的，使其与焊机协调工作。

部分D为前面板的输入及键盘/显示部分。焊接参数预置D4通过键盘显示驱动电路D1并配合编码旋钮给定D2，对核心控制部分A输入，实现焊接参数的设定，并通过焊接参数显示D3进行显示。当焊接时，核心控制部分A通过键盘显示驱动电路D1，输出给焊接参数显示D3，显示焊接电流和电压，使其能实时观测焊接参数。

由于本发明整个焊接过程均在单片机系统程序控制下进行，故下面将结合本发明的控制方法，并参照程序流程图对本实例进行进一步详细说明。

图5是单片机控制双丝MAG GMAW逆变焊接电源主程序软件方案图。软件主程序包括：初始化子程序、参数预置、显示和计算子程序、引弧子程序、延时子程序和焊接子程序。其主程序具体执行顺序为：上电复位后，程序从初始地址(80C196KC为2080H)开始运行，系统先执行初始化子程序，完成各参数的初始值设定。然后关断中断请求，执行键盘扫描程序，检测是否有控制键按下，并进行相应处理。结合随后执行的高速输入检查子程序中编码旋钮给定，获取送丝速度V、峰值电压Up、峰值时间Tp、频率F、基值电流Ib、相位关系DLY等焊接参数用于焊接过程控制，然后经显示子程序把相关的参数设定显示。计算程序根据单片机所采用的系统时钟确定出基值时间Tb＝1/F-Tp，并根据每个计数周期的时间确定基值时间和峰值时间对应的计数器周期数Nb和Np，供控制转换用。对于其它给定参数，则根据具体焊机参数，转化为对应的机器程序值。对于高速输入子程序中若经判断有焊接开关信号，则检查焊枪开关寄存器有否开启命令，有则转入引弧、焊接程序，直到检测到焊接结束信号，退出焊接状态。如没有焊接开始信号则延时一定时间(如20ms)后再次循环执行前面程序。

其主程序具体执行顺序为：上电复位后，程序从初始地址(80C196KC为2080H)开始运行，首先对系统进行初始化，包括各个参数变量和寄存器的定义等。在参数预置和计算部分，程序将首先进行各个参数的扫描及显示，并把使用者输入的焊接参数存入相应寄存器和变量。随后程序将根据此参数输入进行计算，转化为硬件相关的对应值以进行后续的焊接控制。对用于软件中断控制中对切换信号A3和给定A2的控制所需计数器值，则首先由频率F和时间Up计算出基值时间： $>>Tb>=>1>F>>->Tb>,>$>然后根据每个计数器周期的时间，确定出Tp和Tb对应的计数器值Np和Nb。当有焊接信号发生时，程序将进行引弧程序，此时若有停止焊接信号将跳出程序，否则进入焊接程序控制。

如图6所示为焊接程序框图，主要处理焊接过程中所需实时进行的处理和判断。其过程为：首先对焊接状况进行一些“预处理”，然后“设定电流”，接下来对“引着弧否”进行判断，若没引着弧则执行判断“停止焊接否”，若为停止焊接，则退出，否则将跳回重新进行电流设定及引着弧与否的判断的循环。若经过判断为引着弧，则执“开串行通信”，进行双机通信控制。然后“设定A/D和软件定时器中断”。接下来“设基值电流”，“设焊接参数标志位”，启动“设定软件定时器中断时间”。然后将间隔一定时间对“有焊接停止信号否”进行循环判断，等待停止信号发生时停止焊接并跳出程序，否则将循环等待判断和响应中断。

本发明的控制方法主要体现在焊接程序过程中，在此过程中将通过相应中断进行控制：

AD中断实现焊接过程的焊接电流和焊接电压的实时检测，并显示；

软件定时中断完成焊接切换信号A3和给定A2的控制；

串行通信中断完成两台焊机相位关系控制；

附图7为AD中断框图。主要功能是焊接时实现焊接电压和电流的显示功能。其执行过程为：首先执行预处理操作，完成一些必要设置，然后判断是电流还是电压，并根据结果分别执行电流或电压的采样及显示，然后重新设置下次采样时间和采样变量(通过定时器和相应寄存器控制位的设置实现此操作)。

图8为软件定时器中断框图。本子程序主要为实现焊接脉冲的基值和峰值的大小及转换控制，决定图3中给定信号A2和切换信号A3，实时控制电压/电流的转化实施。程序首先进行“预处理”，包括保护现场及定时器值和基值、峰值标志位设置。然后判断“有焊枪输入吗”，没有时则执行判断“到时否”，有焊枪输入则执行“设定标志位”，然后执行判断“到时否”，若到时则跳出程序，否则对其执行“是基值电流吗”判断，是则“处理给定和切换信号为电流”，否则“处理给定和切换信号为电压”，然后“还原现场”，跳出此程序。

图9为两台焊机串行通信中断程序框图。其功能为根据实际要求，控制两台焊机的相位关系，以保证两台焊机协调工作。在焊接时，主焊机在每个焊接周期的特定时刻均发出协调信号中断请求，而从焊机接到此串行中断请求后响应中断，按照预设的相位要求控制从焊机的工作状态。采用外部中断的好处为，不但软件控制简单，而且当由于传输过程中的干扰或其它原因造成主焊机发出的协调信号未能被从焊机接收的情况发生时，从焊机能够按照自己预定的焊接程序执行相应的焊接控制，避免了从焊机由于接收错误而导致的丢失焊接周期的现象。具体串行中断的中断过程为：当发生中断相应后，将焊接过程设定为基值阶段，然后设定基值阶段的时间并等待到时，到时后则执行焊接操作直到返回跳出。

本双丝焊接设备对于薄钢板焊接，采用Φ1.2mm焊丝时，能实现3m/min(板厚δ＝2mm)和2m/min(板厚δ＝3mm)的高速稳定焊接，对于厚板，能实现10Kg/h的熔敷率，飞溅低，成型好，电弧稳定，较单丝最高焊接速度紧仅为1.5m/min来看，大大提高了效率。达到设计及使用的要求。

以上所述为本设备及其控制方法的一个实例，我们还可对其进行一些变换。比如主电路部分可以采用半桥逆变电路代替全桥形式，控制部分用DSP或其他单片机代替80C196KC实现其功能，显示部分可以采用SD7218代替8279等。只要其控制思想与本发明所叙述的一致，均应视为本发明所包括的范围。