專利名稱：復(fù)合型高頻脈沖焊接系統(tǒng)及工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
復(fù)合型高頻脈沖焊接系統(tǒng)及工藝，屬于焊接設(shè)備及電弧焊接工藝控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鎢極氬弧焊(TIG)因其適應(yīng)性強(qiáng)、焊接質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航天、汽車(chē)、管道等多個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)被焊材料的不同，TIG焊工藝分為直流TIG焊、交流TIG焊和變極性TIG 焊，其中直流TIG焊用于不銹鋼、銅等金屬的焊接，而交流TIG焊和變極性TIG焊則用于鋁合金材料的焊接。由于TIG焊存在電弧效率較低、焊接速度慢以及小電流電弧不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，脈沖TIG焊應(yīng)運(yùn)而生。脈沖TIG焊使用的頻率范圍目前集中在兩個(gè)區(qū)域一是0. 5-lOHz 的低頻脈沖，用于形成規(guī)則的熔池；二是Ik-IOkHz的高頻脈沖，用于提高電弧穩(wěn)定性和電弧能量。而由于10k-20kHz電弧產(chǎn)生的高頻噪聲，目前工程中很少被使用。熔池凝固后， 最終的力學(xué)性能和物理性能與結(jié)晶過(guò)程中的晶粒大小和組織缺陷密切相關(guān)。均勻、細(xì)小的等軸晶組織可以提高焊縫的力學(xué)性能，而非細(xì)小的等軸晶組織及組織的不均勻性則會(huì)顯著降低焊縫性能。通過(guò)異質(zhì)形核、物理場(chǎng)處理、溫度控制等手段可以有效細(xì)化晶粒，但由于焊接熔池具有的存留時(shí)間短、溫度梯度大、電弧溫度高等特點(diǎn)，使得多數(shù)方法難于應(yīng)用。在金屬或合金凝固過(guò)程中輔以振動(dòng)可以明顯改善其結(jié)晶組織，并有效提高機(jī)械性能。早在1869 年，德國(guó)Chernov就通過(guò)搖晃鑄模成功地細(xì)化了鋼錠的晶粒。但由于早起的振動(dòng)方式受到設(shè)備的限制，頻率很低，因此其振動(dòng)的能量和效果都受到了較大限制，且振動(dòng)過(guò)程不易控制，逐漸被高頻的超聲振動(dòng)方式所代替。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，在焊接過(guò)程中通過(guò)對(duì)焊接熔池施加超聲振動(dòng)可以明顯改善焊縫成型和金屬結(jié)晶組織，目前對(duì)熔池施加超聲振動(dòng)主要有兩種形式，一是將焊槍固定于機(jī)械超聲裝置上，由超聲換能器產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)帶動(dòng)焊槍振動(dòng)，從而進(jìn)一步帶動(dòng)電弧振動(dòng)，但由于超聲換能器可調(diào)性差，其頻率和振幅都已預(yù)置，很難配合焊接工藝的需求進(jìn)一步調(diào)整，應(yīng)用受到較大限制另一種方式是通過(guò)電源輸出將電能量施加與電弧中，由于電弧對(duì)熔池有力的作用，對(duì)電弧施加脈動(dòng)的電流值同樣可以達(dá)到振動(dòng)熔池的效果，這一方案對(duì)焊接電源的動(dòng)特性提出了較高要求，但由于焊接電源作為一種負(fù)載狀態(tài)相當(dāng)惡劣的電源，有其獨(dú)特的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，近年來(lái)，隨著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的迅猛發(fā)展，焊接電源的性能得到了迅速提升， 但是為了保證在惡劣工況下的穩(wěn)定性，大多數(shù)情況下其逆變工作頻率只有幾十kHz，因此電源的動(dòng)特性就受到了一定的限制。在這種情況下，要實(shí)現(xiàn)超出人類聽(tīng)覺(jué)范圍的20kHz以上的高頻焊接就對(duì)焊接電源提出了更高的要求。此外，傳輸回路中的電路寄生參數(shù)對(duì)大功率高頻信號(hào)的傳輸具有很大影響，這也成為高頻脈沖焊接工藝工業(yè)應(yīng)用的瓶頸之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種復(fù)合型高頻脈沖焊接系統(tǒng)及工藝，采用多電源協(xié)同控制的方法實(shí)現(xiàn)高頻脈沖能量的發(fā)生與傳輸。本系統(tǒng)的工作流程為，焊接開(kāi)始前，分別對(duì)焊接電源A和復(fù)合脈沖電源B進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，焊接開(kāi)始后，焊接電源A按照設(shè)定參數(shù)輸出，復(fù)合脈沖電源控制系統(tǒng)B3在獲取焊接開(kāi)始信號(hào)后，進(jìn)行延時(shí)后啟動(dòng)復(fù)合脈沖電源功率部分Bl開(kāi)始工作，同時(shí)通過(guò)電流傳感器LEM3 獲取焊接電源A的實(shí)時(shí)電流輸出狀態(tài)，當(dāng)焊接電源A的輸出電流進(jìn)入復(fù)合脈沖電源B設(shè)定復(fù)合電流區(qū)間時(shí)，高頻脈沖發(fā)生裝置B2啟動(dòng)，將復(fù)合脈沖電源功率部分Bl的輸出轉(zhuǎn)化為高頻脈沖電流并與焊接電源A進(jìn)行并聯(lián)輸出。本發(fā) 明復(fù)合型高頻脈沖焊接系統(tǒng)如圖1，包括焊接電源A，復(fù)合脈沖電源B，復(fù)合焊槍三個(gè)部分C，其中焊接電源A選用各類鎢極氬弧焊(TIG)電源。復(fù)合脈沖電源B由復(fù)合脈沖電源功率部分Bi、高頻脈沖發(fā)生裝置B2和復(fù)合脈沖電源控制系統(tǒng)B3三部分構(gòu)成。復(fù)合脈沖電源功率部分Bl采用開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)，包括一次整流電路、濾波電路、逆變電路、逆變驅(qū)動(dòng)電路、中頻變壓器、二次整流電路、濾波電感L、濾波電容Cl、電流傳感器LEMl和電壓傳感器LEM ；高頻脈沖發(fā)生裝置B2包括濾波電容C2、由Ql、Q2、Q3、Q4組成的全橋拓?fù)潆娐?、全橋?qū)動(dòng)電路、全橋整流電路和電流傳感器LEM2 ；復(fù)合脈沖電源控制系統(tǒng)B3包括數(shù)字信號(hào)處理器、采樣處理電路、狀態(tài)判斷電路、保護(hù)信號(hào)電路和電流傳感器LEM3。電流傳感器LEM1、 電流傳感器LEM2、電流傳感器LEM3和電壓傳感器LEM均與采樣處理電路相連，電流傳感器 LEM1、電流傳感器LEM2還與保護(hù)信號(hào)電路相連，電流傳感器LEM3還與狀態(tài)判斷電路相連。復(fù)合脈沖電源功率部分Bl與高頻脈沖發(fā)生裝置B2相連，高頻脈沖發(fā)生裝置B2與焊接電源A并聯(lián)于復(fù)合焊槍C兩端，同時(shí)向復(fù)合焊槍C進(jìn)行功率輸出。焊接電源A獨(dú)立進(jìn)行功率輸出；復(fù)合脈沖電源功率部分Bl進(jìn)行恒壓外特性輸出，高頻脈沖發(fā)生裝置B2中的全橋拓?fù)潆娐肥紫葘?fù)合脈沖電源功率部分Bl的恒定功率輸出轉(zhuǎn)換成占空比為20% -80% 的交流脈沖高頻能量，再進(jìn)行全橋整流得到高頻直流脈沖信號(hào)，直接與焊接電源A的輸出進(jìn)行復(fù)合。復(fù)合型高頻脈沖焊接系統(tǒng)的控制方法的按以下步驟實(shí)現(xiàn)的復(fù)合型高頻脈沖焊接系統(tǒng)的起停采用焊接電源A的焊槍開(kāi)關(guān)信號(hào)，焊接開(kāi)始前，需對(duì)焊接電源A和復(fù)合脈沖電源 B進(jìn)行分別設(shè)置。根據(jù)被焊材料的特征，焊接電源A的工藝參數(shù)有焊接波形、焊接電流、起/ 收弧電流、起/收弧時(shí)間；復(fù)合脈沖電源B需設(shè)置的工藝參數(shù)有脈沖頻率、占空比、脈沖電流幅值及復(fù)合脈沖能量的電流區(qū)間，其中復(fù)合脈沖能量的電流區(qū)間為焊接電源A所設(shè)定焊接電流值80%以上的電流。焊接開(kāi)始后，焊接電源A按預(yù)先設(shè)定的焊接工藝參數(shù)輸出，復(fù)合脈沖電源控制系統(tǒng)B3采集到焊接開(kāi)始信號(hào)后，數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行延時(shí)后向逆變驅(qū)動(dòng)電路輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，啟動(dòng)高頻脈沖功率電源Bi，并將電壓傳感器LEM的反饋信號(hào)經(jīng)采樣處理電路濾波放大后送入數(shù)字信號(hào)處理器的模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行采樣，然后將采樣結(jié)果進(jìn)行比例積分(PI)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)控制；同時(shí)，通過(guò)電流傳感器LEM3對(duì)焊接電源A的輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，狀態(tài)判斷電路會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)值判斷高頻脈沖能量的復(fù)合區(qū)間并通知數(shù)字信號(hào)處理器，一旦進(jìn)入復(fù)合區(qū)間，數(shù)字信號(hào)處理器會(huì)立即向全橋驅(qū)動(dòng)電路輸出驅(qū)動(dòng)波形， 啟動(dòng)高頻脈沖發(fā)生裝置B2向焊槍輸出高頻脈沖能量。保護(hù)信號(hào)電路分別針對(duì)高頻脈沖功率電源Bl和高頻脈沖發(fā)生裝置B2進(jìn)行單獨(dú)保護(hù)。電流傳感器LEMl對(duì)高頻脈沖功率電源 Bl的輸出電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)焊接過(guò)程中有可能產(chǎn)生的短路現(xiàn)象進(jìn)行反饋保護(hù)；高頻脈沖發(fā)生裝置B2的保護(hù)電路采用硬件方式對(duì)電流脈沖的峰值進(jìn)限定，電流傳感器LEM2實(shí)時(shí)監(jiān)控功率開(kāi)關(guān)管Q1-Q4的導(dǎo)通電流，一旦脈沖電流峰值超過(guò)設(shè)定脈沖電流幅值的120%，數(shù)字信號(hào)處理器會(huì)接收到保護(hù)信號(hào)電路的通知，立刻關(guān)斷本周期的驅(qū)動(dòng)信號(hào)保護(hù)功率管。
本發(fā)明提出的復(fù)合型高頻脈沖 焊接系統(tǒng)針對(duì)現(xiàn)有焊接電源動(dòng)特性無(wú)法實(shí)現(xiàn)高頻脈沖電流輸出的限制，在不改變已有商品化電源輸出方式和控制模式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了專門(mén)用于復(fù)合高頻脈沖能量的高頻脈沖復(fù)合電源，選用合適的外特性輸出模式，并配合新型拓?fù)潆娐吩O(shè)計(jì)，擺脫了逆變電源自身工作頻率對(duì)脈沖電流頻率的限制，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)高于電源逆變頻率的高頻脈沖電流輸出。高頻脈沖復(fù)合電源可與任意已有商品化電源進(jìn)行復(fù)合，實(shí)現(xiàn)新型高頻脈沖焊接工藝過(guò)程，整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)脈沖幅值在200A范圍內(nèi)，脈沖頻率在20-100kHz范圍內(nèi)、占空比在20% -80%任意可調(diào)的復(fù)合型高頻脈沖焊接工藝。


圖1復(fù)合型高頻脈沖焊接系統(tǒng)總體框2 (a)直流高頻脈沖焊接電流波形2 (b)交流高頻脈沖焊接電流波形3復(fù)合型高頻脈沖焊接過(guò)程軟件執(zhí)行流程4 (a)未復(fù)合高頻能量焊縫氣孔情況圖4 (b)復(fù)合高頻能量后焊縫氣孔情況圖5(a)未復(fù)合高頻能量晶粒5(b)復(fù)合高頻能量后晶粒圖
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的具體實(shí)施方式
為焊接開(kāi)始前，首先要對(duì)焊接電源A和復(fù)合脈沖電源B的參數(shù)進(jìn)行分別設(shè)置。焊接電源A的參數(shù)根據(jù)焊接材料、材料厚度、焊縫道數(shù)和焊接速度設(shè)置，可按照焊接電源A單獨(dú)使用時(shí)的規(guī)則確定焊接波形、起/收弧電流和起/收弧時(shí)間，而焊接電流在選擇直流波形焊接時(shí)設(shè)置為焊接電源A單獨(dú)進(jìn)行焊接時(shí)70%的電流值，選擇交流波形焊接時(shí)設(shè)置為焊接電源A單獨(dú)進(jìn)行焊接時(shí)80%的電流值。在焊接碳鋼、不銹鋼時(shí)， 為提高電弧效率并減小鎢極燒損，選用直流正極性波形焊接；焊接鋁合金時(shí)，為有效清除被焊材料的表面氧化膜，選用交流波形焊接，此外，在保證鋁合金材料表面氧化膜被有效清理的前提下，會(huì)采用交、直流混合波形進(jìn)行焊接從而提高電弧效率。當(dāng)材料厚度小于4mm時(shí)， 一般采用一道焊工藝；材料厚度大于4mm時(shí)，采用多道焊工藝。通常情況下，鎢極氬弧焊焊接速度為0. 1-0. 5米/分。復(fù)合脈沖電源B的參數(shù)包括脈沖電流的頻率及占空比、脈沖電流幅值和復(fù)合脈沖能量的電流區(qū)間。焊接碳鋼和不銹鋼時(shí)，復(fù)合脈沖電流的頻率范圍設(shè)置在25kHz至60kHz，占空比為20% -80%，脈沖電流幅值設(shè)置為與焊接電源A輸出電流值相同；焊接鋁合金時(shí)，復(fù)合脈沖電流的頻率范圍設(shè)置在20kHz至50kHz，占空比40% -60%，脈沖電流幅值為50A-100A。圖2(a)為焊接2mm不銹鋼時(shí)的復(fù)合的焊接電流波形，焊接電源A 輸出50A的直流，設(shè)置在50A以上區(qū)間進(jìn)行高頻脈沖電流復(fù)合，高頻脈沖電源B輸出的脈沖頻率為50kHz，占空比50%，脈沖電流幅值50A。圖2 (b)為焊接3mm鋁合金時(shí)的焊接電流波形，焊接電源A設(shè)置輸出交、直流混合波形，直流期間電流值150A，交流期間正、負(fù)極性電流同為100A，復(fù)合脈沖電源B設(shè)置在正極性100A以上區(qū)間進(jìn)行高頻脈沖電流復(fù)合，脈沖頻率 20kHz，占空比50%，脈沖電流幅值100A。焊接開(kāi)始后，焊接電源A按預(yù)先設(shè)定的焊接工藝參數(shù)輸出。復(fù)合脈沖電源控制系統(tǒng)B3中的數(shù)字信號(hào)處理器采集到焊接開(kāi)始信號(hào)后，進(jìn)行0. 5-3S的延時(shí)，延時(shí)目的有兩個(gè)， 一是由于TIG焊工藝采用高頻高壓引弧，此時(shí)電壓脈沖峰值往往在1000V以上，易造成其他電子器件的損壞，因此要在引弧成功后進(jìn)行脈沖能量復(fù)合；二是要等待焊接電源執(zhí)行完引弧參數(shù)，進(jìn)入正常焊接參數(shù)后再進(jìn)行復(fù)合能量輸出。延時(shí)后數(shù)字信號(hào)處理器向逆變驅(qū)動(dòng)電路輸出一路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)啟動(dòng)復(fù)合脈沖電源功率部分Bi，電壓傳感器LEM的反饋信號(hào)經(jīng)采樣處理電路濾波放大后送入數(shù)字信號(hào)處理器的模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行采樣，然后將采樣結(jié)果進(jìn)行比例積分(PI)運(yùn)算，調(diào)整向復(fù)合脈沖電源功率部分Bl輸出的PWM占空比，進(jìn)行恒壓閉環(huán)控制，直到焊接停止信號(hào)到來(lái)時(shí)停止，軟件控制流程圖如圖3所示。復(fù)合脈沖電源功率部分Bl采用開(kāi)關(guān)電源，逆變電路采用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為保證復(fù)合脈沖電源功率部分Bl 進(jìn)行恒壓外特性輸出的精度，本系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源采用20kHz逆變頻率。主電路輸入電壓為三相380V，經(jīng)一次整流電路及濾波電路后，變?yōu)?40V直流。此后經(jīng)逆變電路和中頻變壓器隔離降壓后變?yōu)?0kHz交流電，后經(jīng)過(guò)二次整流電路、濾波電感和濾波電容后變?yōu)榈碗妷捍箅娏鞯暮附幽芰?。?fù)合脈沖電源功率部分Bl啟動(dòng)后，復(fù)合脈沖電源控制系統(tǒng)B3通過(guò)電流傳感器LEM3對(duì)焊接電源A的輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，狀態(tài)判斷電路會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)值判斷高頻脈沖能量的復(fù)合區(qū)間并通知數(shù)字信號(hào)處理器，一旦進(jìn)入復(fù)合電流區(qū)間，數(shù)字信號(hào)處理器會(huì)立即向全橋驅(qū)動(dòng)電路輸出驅(qū)動(dòng)波形，啟動(dòng)高頻脈沖發(fā)生裝置B2向焊槍輸出高頻脈沖能量。高頻脈沖發(fā)生裝置輸入端之間并聯(lián)10000 μ F以上濾波電容C2，以保證高頻脈沖發(fā)生裝置Β2輸入端接近理想恒壓源。數(shù)字信號(hào)處理器向全橋驅(qū)動(dòng)電路輸出預(yù)設(shè)占空比的 PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管Q1-Q4工作，當(dāng)一路橋臂Ql和Q4開(kāi)通時(shí)，全橋拓?fù)潆娐份敵稣螂妷?；?dāng)另一路橋臂Q2和Q3開(kāi)通時(shí)，全橋拓?fù)潆娐份敵龇聪螂妷海?jīng)全橋整流電路整流后變?yōu)榉禐閺?fù)合脈沖電源功率部分Bl輸出電壓的脈沖能量，直接作用于電弧，相當(dāng)于在電弧兩端施加了復(fù)合脈沖電源功率部分Bl輸出電壓，對(duì)電弧進(jìn)行短時(shí)間的恒壓放電，有效控制輸出給全橋驅(qū)動(dòng)電路的PWM占空比便可有效控制復(fù)合在電弧上的脈沖頻率，脈沖電流的幅值取決于加在電弧兩端的電壓高低，通過(guò)調(diào)整高頻脈沖功率電源Bl的輸出電壓便可有效調(diào)整脈沖電流的幅值。這一方案有效地消除了焊接電源逆變頻率對(duì)輸出電流脈沖頻率的限制，使得電源可以輸出遠(yuǎn)高于自身逆變器工作頻率的高頻脈沖電流。本系統(tǒng)所采用的恒壓源控制脈沖電流的方式屬于一種半開(kāi)環(huán)的控制模式，由于焊接過(guò)程中負(fù)載的變化及其劇烈，甚至?xí)卸搪非闆r發(fā)生，因此，本系統(tǒng)采用硬件方式限定了電流的脈沖峰值，電流傳感器LEMl對(duì)高頻脈沖功率電源Bl的輸出電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)焊接過(guò)程中有可能產(chǎn)生的短路現(xiàn)象進(jìn)行反饋保護(hù)；高頻脈沖發(fā)生裝置Β2的保護(hù)電路采用硬件方式對(duì)電流脈沖的峰值進(jìn)限定，電流傳感器LEM2實(shí)時(shí)監(jiān)控功率開(kāi)關(guān)管Q1-Q4的導(dǎo)通電流，一旦脈沖電流峰值超過(guò)設(shè)定脈沖電流幅值的120 %，數(shù)字信號(hào)處理器會(huì)接收到保護(hù)信號(hào)電路的通知，立刻關(guān)斷功率管， 保護(hù)信號(hào)會(huì)持續(xù)一個(gè)周期，直到下一周期的驅(qū)動(dòng)信號(hào)到來(lái)時(shí)才消失。作為本發(fā)明核心的復(fù)合脈沖電源B是，可與本發(fā)明中所述焊接電源A配合工作，也可在不需要復(fù)合高頻能量時(shí)停止工作，并且不對(duì)焊接電源A的輸出特性和控制方式造成影響。采用圖2(b)所示焊接參數(shù)進(jìn)行焊接后，利用金相顯微鏡對(duì)焊縫區(qū)金屬組織進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，在電流有效值相同的前提下，未復(fù)合高頻脈沖電流時(shí)焊縫結(jié)晶組織(圖4(a)) 中氣孔的數(shù)量和尺寸明顯高于復(fù)合高頻脈沖電流后(圖4(b))的組織。同時(shí)，復(fù)合高頻脈沖電流后的焊縫金屬結(jié)晶的晶粒尺寸(圖5(b))明顯小于未復(fù)合高頻脈沖電流的情況 (圖5(a))，根據(jù)晶粒度軟件評(píng)測(cè)，未復(fù)合高頻脈沖電流時(shí)，焊縫結(jié)晶組織晶粒的平均尺寸為30um ；復(fù)合高頻脈沖電流后，晶粒尺寸下降為25um。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所采用的焊接系統(tǒng)和方法主要具備以下特點(diǎn)1、作為本發(fā)明核心的復(fù)合脈沖電源B可與各類焊接電源進(jìn)行復(fù)合，通過(guò)采集由電流傳感器LEM3的反饋信號(hào)進(jìn)行時(shí)序同步，可在指定時(shí)段進(jìn)行高頻脈沖能量的復(fù)合。2、由于采用了多電源能量供給的輸出模式，有效解決了由于電源自身動(dòng)特性限制而導(dǎo)致的無(wú)法輸出大功率高頻脈沖能量的問(wèn)題。3、本發(fā)明采用恒壓外特性配合全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高頻脈沖能量的發(fā)生，同時(shí)降低了產(chǎn)生高頻能量過(guò)程中對(duì)電力器件的要求。采用全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于可以有效降低功率開(kāi)關(guān)管的工作頻率和產(chǎn)熱，當(dāng)設(shè)定IOOkHz的電流脈沖輸出頻率時(shí)，開(kāi)關(guān)管的工作頻率僅為50kHz。4、對(duì)各模塊功能進(jìn)行了優(yōu)化組合，將涉及高頻能量產(chǎn)生和傳輸?shù)牟糠诌M(jìn)行有效集成及分割，整個(gè)系統(tǒng)只有在高頻脈沖發(fā)生裝置B2與復(fù)合焊槍C之間才有大功率高頻能量的傳輸，而且高頻脈沖發(fā)生裝置B2的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，可以放置在復(fù)合焊槍C附近，進(jìn)一步減少了大功率高頻能量的傳遞路程，上述設(shè)計(jì)方案有效解決了大功率高頻信號(hào)的傳輸中的導(dǎo)線阻抗問(wèn)題。5、本發(fā)明采用恒壓外特性控制，配合全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解決了“弧-源”系統(tǒng)能量傳輸與高精度控制問(wèn)題，獲得了具有顯著“高頻效應(yīng)”的焊接工藝效果。6、結(jié)合本發(fā)明的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)了專用于鋁合金材料復(fù)合型高頻焊接工藝，可實(shí)現(xiàn)電流脈沖幅值在0-200A范圍內(nèi)可調(diào)、脈沖頻率在20-100kHz范圍內(nèi)可調(diào)、占空比任意可調(diào)的復(fù)合型高頻脈沖焊接工藝。取得了良好的焊接工藝效果。上述工藝對(duì)鋁合金焊接接頭具有明顯的優(yōu)化效果，主要表現(xiàn)在一方面復(fù)合高頻脈沖能量后，可有效提高焊接速度，從而提高生產(chǎn)效率；另一方面，高頻能量的加入有效改善了焊縫的微觀組織，焊縫及熔合線區(qū)域的氣孔數(shù)量及尺寸顯著下降，并且結(jié)晶組織明顯細(xì)化，機(jī)械性能測(cè)試表明，焊接接頭性能得到明顯提高。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合型高頻脈沖焊接系統(tǒng)，其特征在于包括焊接電源A，復(fù)合脈沖電源B，復(fù)合焊槍三個(gè)部分C，其中焊接電源A選用各類鎢極氬弧焊電源；復(fù)合脈沖電源B由復(fù)合脈沖電源功率部分Bi、高頻脈沖發(fā)生裝置B2和復(fù)合脈沖電源控制系統(tǒng)B3三部分構(gòu)成；復(fù)合脈沖電源功率部分Bl采用開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)，包括一次整流電路、濾波電路、逆變電路、逆變驅(qū)動(dòng)電路、中頻變壓器、二次整流電路、濾波電感L、濾波電容Cl、電流傳感器LEMl 和電壓傳感器LEM ；高頻脈沖發(fā)生裝置B2包括濾波電容C2、由Q1、Q2、Q3、Q4組成的全橋拓?fù)潆娐?、全橋?qū)動(dòng)電路、全橋整流電路和電流傳感器LEM2 ；復(fù)合脈沖電源控制系統(tǒng)B3包括數(shù)字信號(hào)處理器、采樣處理電路、狀態(tài)判斷電路、保護(hù)信號(hào)電路和電流傳感器LEM3;電流傳感器LEM1、電流傳感器LEM2、電流傳感器LEM3和電壓傳感器LEM均與采樣處理電路相連， 電流傳感器LEMl、電流傳感器LEM2還與保護(hù)信號(hào)電路相連，電流傳感器LEM3還與狀態(tài)判斷電路相連；復(fù)合脈沖電源功率部分Bl與高頻脈沖發(fā)生裝置B2相連，高頻脈沖發(fā)生裝置B2 與焊接電源A并聯(lián)于復(fù)合焊槍C兩端，同時(shí)向復(fù)合焊槍C進(jìn)行功率輸出。
2.應(yīng)用權(quán)利要求1所述復(fù)合型高頻脈沖焊接系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，步驟如下 復(fù)合型高頻脈沖焊接系統(tǒng)的起停采用焊接電源A的焊槍開(kāi)關(guān)信號(hào)，焊接開(kāi)始前，需對(duì)焊接電源A和復(fù)合脈沖電源B進(jìn)行分別設(shè)置；根據(jù)被焊材料的特征，焊接電源A的工藝參數(shù)有焊接波形、焊接電流、起/收弧電流、起/收弧時(shí)間；復(fù)合脈沖電源B需設(shè)置的工藝參數(shù)有脈沖電流頻率、占空比、脈沖電流幅值及復(fù)合脈沖能量的電流區(qū)間，所述的復(fù)合脈沖能量的電流區(qū)間為焊接電源A所設(shè)定焊接電流值80%以上的電流；焊接開(kāi)始后，焊接電源A按預(yù)先設(shè)定的焊接工藝參數(shù)輸出，復(fù)合脈沖電源控制系統(tǒng)B3 采集到焊接開(kāi)始信號(hào)后，數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行延時(shí)后向逆變驅(qū)動(dòng)電路輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，啟動(dòng)高頻脈沖功率電源Bi，并將電壓傳感器LEM的反饋信號(hào)經(jīng)采樣處理電路濾波放大后送入數(shù)字信號(hào)處理器的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行采樣，然后將采樣結(jié)果進(jìn)行比例積分PI運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)控制；同時(shí)，通過(guò)電流傳感器LEM3對(duì)焊接電源A的輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，狀態(tài)判斷電路會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)值判斷高頻脈沖能量的復(fù)合區(qū)間并通知數(shù)字信號(hào)處理器，一旦進(jìn)入復(fù)合區(qū)間，數(shù)字信號(hào)處理器會(huì)立即向全橋驅(qū)動(dòng)電路輸出驅(qū)動(dòng)波形，啟動(dòng)高頻脈沖發(fā)生裝置B2向焊槍輸出高頻脈沖能量；保護(hù)信號(hào)電路分別針對(duì)高頻脈沖功率電源Bl和高頻脈沖發(fā)生裝置 B2進(jìn)行單獨(dú)保護(hù)；電流傳感器LEMl對(duì)高頻脈沖功率電源Bl的輸出電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)焊接過(guò)程中有可能產(chǎn)生的短路現(xiàn)象進(jìn)行反饋保護(hù)；高頻脈沖發(fā)生裝置B2的保護(hù)電路采用硬件方式對(duì)電流脈沖的峰值進(jìn)限定，電流傳感器LEM2監(jiān)測(cè)功率開(kāi)關(guān)管Q1-Q4的導(dǎo)通電流，當(dāng)脈沖電流峰值超過(guò)設(shè)定脈沖電流幅值的120%，數(shù)字信號(hào)處理器會(huì)接收到保護(hù)信號(hào)電路的通知，關(guān)斷本周期的驅(qū)動(dòng)信號(hào)保護(hù)功率管。
全文摘要
復(fù)合型高頻脈沖焊接系統(tǒng)及工藝屬于電弧焊接領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括焊接電源A，復(fù)合脈沖電源B，復(fù)合焊槍C，其中焊接電源A選用鎢極氬弧焊電源；復(fù)合脈沖電源B由復(fù)合脈沖電源功率部分B1、高頻脈沖發(fā)生裝置B2和復(fù)合脈沖電源控制系統(tǒng)B3三部分構(gòu)成；B1采用開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)；B2包括全橋拓?fù)潆娐?、全橋?qū)動(dòng)電路、全橋整流電路和電流傳感器LEM2；B3包括數(shù)字信號(hào)處理器、采樣處理電路、狀態(tài)判斷電路、保護(hù)信號(hào)電路和電流傳感器LEM3；B1與B2相連，B2與A并聯(lián)于C兩端，同時(shí)向C進(jìn)行功率輸出。本發(fā)明工作穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)脈沖幅值在200A范圍內(nèi)，脈沖頻率在20-100kHz范圍內(nèi)、占空比在20％-80％任意可調(diào)的復(fù)合型高頻脈沖焊接工藝，有效細(xì)化焊縫組織、減少焊縫氣孔。
文檔編號(hào)B23K9/09GK102218581SQ20111011125
公開(kāi)日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月28日
發(fā)明者宋永倫, 白立來(lái), 閆思博 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)