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摘要：研究基于双恒流外特性的新型CO2焊逆变电源，该电源采用双恒流外特性，由微机控制系统在燃弧阶段自动切换恒流值，在短路阶段优化控制电流波形，从而达到减小飞溅和改善焊缝成形的目的。本文介绍了此智能CO2焊逆变电源的双恒流外特性工作原理、短路电流波形控制方案、微机控制系统硬件结构及软件流程。
关键词：恒流 CO2焊接逆变电源 智能 波形控制 单片机
0 前言
随着电力电子技术和大功率半导体器件的飞速发展，逆变技术在焊接电源中得到了广泛的应用。逆变弧焊电源以其所具有的效率高、节能显著、体积小、质量轻、动静态特性好等优点已成为焊接电源的主流产品。利用逆变电源的工作频率高、响应速度快的特点，将各种波形控制及智能控制技术相结合，发展新型的智能逆变焊接电源成为未来焊接电源发展趋势。同时自动控制技术的发展为人们开发出新一代的微机控制弧焊电源提供了可能，从而推动了焊接新技术的进一步发展 [1 , 2] 。
基于此我们研制了一种基于恒流的智能逆变CO2焊接电源。该电源采用双恒流外特性，由微机控制系统在燃弧阶段自动切换恒流值，在短路阶段优化控制电流波形，从而达到减小飞溅和改善焊缝成形的目的。
1 双恒流式逆变焊接电源基本原理
如图1 示，双恒流外特性逆变焊接电源的基本原理是：在燃弧阶段时，电源工作在两个恒流外特性曲线段，即基值恒流段L1和峰值恒流段L2。焊接动态过程中的真实负载工作点是焊接电源特性与电弧伏安特性曲线的交点。 （图片）
图 1双恒流工作原理图
说明：图中L1，L2为焊机电源输出外特性（静特性）；L3为名义平均参考CO2自身特性曲线；O点为名义工作点在燃弧阶段前期，电源在峰值恒流段工作，焊丝在峰值电流Is作用下迅速熔化，随着熔滴逐渐增大趋近熔池，则电弧电压逐渐降低；当电弧电压低于一定值后，电源自动切换到基值恒流段，则燃弧阶段后期的焊接电流维持在基值电流Ib，直至熔滴与熔池接触短路。在熔滴短路过渡过程中，微机控制系统对短路电流波形进行优化控制，直到短路过程结束，电源输出电压升高，重新引弧，焊机进入下一个燃弧—短路工作过程。
焊接过程中的真实负载工作点是焊接电源特性与电弧伏安特性曲线的交点。燃弧过程中两个恒流外特性曲线段的自动切换可以通过判断电弧电压来实现，也可以通过控制燃弧电流时间来实现。
在设定焊接电流或焊丝送进速度后，其对应的双恒流值是由微机系统在经验数据的基础上考虑短路频率f，短路时间t短和燃弧时间t燃等统计而进行调正确定的。
2 短路电流波形控制
2.1短路电流波形控制方案
通常认为短路过渡ＣＯ2 焊产生飞溅的主要原因是短路初期电流密度在小桥缩颈处急剧增大引起电爆炸与短路结束再引弧时电流对熔池的冲击。这样，如果在短路小桥、缩颈小桥形成与存在期间控制电流增长，甚至降低电流，将会减弱电磁力对小桥的压缩作用和爆炸程度，从而可降低飞溅率；此外，如果抑制短路末期与燃弧初期的电流峰值，削弱电流对熔池的冲击，则可进一步降低飞溅率。
基于上述分析，本文采用图2所示的电流波形控制方案。该控制方案的要点是，当电弧短路产生时，先使电流在基值电流Ib维持一段时间，防止电爆炸现象产生；然后使电流以一定 di/ dt速率递增，用于产生较大的电磁收缩力，加速焊丝端部熔滴向焊接熔池过渡；当短路结束再引弧时，再次将焊接电流降为 Ib并维持一段时间，防止电弧重燃对焊接熔池产生的电弧冲击力过大。这样，通过对短路前期、短路后期、再引弧初期等阶段的电流波形控制，对CO2焊接熔滴过渡进行全过程控制。（图片）
图 2短路电流波形控制模型2.2 波形控制的智能化
在不同的送丝速度和焊接电流情况下，CO2焊存在三种熔滴过渡形式，即短路过渡、混合过渡和射流过渡，每一种过渡过程的机理不一样，所需要的电流波形也不一样，因而需要针对各种不同的熔滴过渡过程提出不同的电波波形控制方案。对电流波形进行智能化控制就是利用单片机作为智能控制器，通过硬件电路对熔滴过渡过程状态进行检测，确定当前熔滴所处的阶段，并依据所确定的控制电流波形输出相应的控制量，以获得所需要的电波波形。同时，建立焊接过程优化控制模型，对焊接过程参数进行寻优控制，在线修改各焊接控制参数，以获得最优的焊接过渡过程。
3 微机控制系统设计
双恒流式CO2逆变焊接电源8031单片机控制板进行控制。由于单片机控制板的系统资源有限，因而扩展了五路数据采样电路，对焊接电流、电压、送丝速度、峰值与基值电流设定值进行采样，如图3所示。（图片）
图 3恒流控制硬件结构框图控制过程中，系统依据焊接电流设定值对焊接电流的峰值与基值进行双恒流控制；并根据焊接电压值判断焊接过程处于哪一个阶段，通过电流切换电路输出与该阶段相对应的控制量，优化控制焊接过程中的Ia，Ib，Is和Ip值从而实现对整个焊接过程的控制。在程序中用了两个定时器，其中一个作为基准定时器，定时周期为500us，提供控制基准时基，为采样电流，电压，送丝速度及计算短路频率服务。别一个定时器则为控制定时器，用该定时器提供短路和燃弧期间的时间控制。
4 工艺实验
大量的工艺试验结果表明，双恒流CO2焊逆变电源实现了智能化控制电流波形，电弧燃烧稳定，飞溅很小，焊缝成形也很好。
图4为实测焊接电流与电弧电压波形，与电流设计波形基本一致。（图片）
图 4焊接电流与电弧电压波实测形
(10V/div,100A/div,10ms/div) 实验材料为 A3钢，体积为 1 40 mm× 3 0 mm× 6mm，焊丝采用锦泰Φ1 . 2焊丝，送丝速度2.8m/min，焊接速度0 . 5ｍ/ｍｉｎ，保护气体CO2 ，气体流量1 5Ｌ/min，导电嘴至母材距离15ｍｍ 。IB=50A,IP=150A.焊接电流为140A,焊接电压为20V。
5 结论
（1）双恒流外特性CO2逆变焊机采用配合等速送丝及，通过弧压弧长软件负反馈建立弧长自动调节机制，电弧弹性好、工作稳定，电源动态特性好。
（2）在双恒流外特性的基础上容易实现智能化控制CO2逆变焊机的电流波形，能明显减少飞溅，改善焊缝成型。
参考文献：
[1] 姜幼卿刘杰王强.波形控制CO2弧焊逆变电源的研究. 电焊机.1998(2 ):4-6
[2] 张鹏贤,马跃洲,梁卫东.IGBT逆变CO2焊电源波形控制系统.电焊机.2003.1:15-17
11/9/2006
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