一種新型的耦合電弧短路過渡焊接系統及其控制方法，屬于焊接方法設備及自動化領域。本發明專利技術采用了數字化芯片DSP控制手段，完成了直流MAG和TIG的復合焊接短路過渡過程的控制。在焊接過程中，兩個電弧分別采用獨立電源控制，電源之間形成通信連接，MAG焊絲和母材之間形成主弧，采取短路過渡的熔滴過渡形式；TIG電極和焊絲之間形成輔弧。本發明專利技術以MAG和TIG輸出總電流150A-250A為基礎，控制TIG電源在燃弧階段輸出電流I1，80A≤I1≤200A，用來熔化更多焊絲填充焊縫，在短路階段輸出電流I2，20A≤I2≤80A，用來維持電弧的穩定性。本發明專利技術解決了短路過渡焊接時能量的精確控制問題，實現了母材熱輸入和熔敷金屬量的獨立調節功能，使得母材的熱輸入實現可控可調節。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及，屬于焊接方法設備及自動化領域。
技術介紹
航空航天、交通運輸、海洋工程等工業的發展，極大地推動了焊接技術的發展，提高焊接生產效率和保證焊接質量的高效、優質、低耗的焊接方法成為實際生產的迫切要求。焊接作為一種重要的制造成形工藝，其效率的提高對企業總的生產率的提高有著舉足輕重的影響。現代制造業為了增強市場競爭能力，對焊接生產加工的效率提出了越來越高的要求，提高焊接生產率的主要途徑之一是大幅度提高焊接速度。采用高能密度焊接工藝技術(激光焊，電子束焊)，可以提高焊接速度和焊接生產率，但其工藝復雜，設備投資成本高，對工件的裝配精度要求高，適應性差，難以大面積推廣應用。另一方面，當焊接速度提高到一定程度時，不管是傳統的焊接方法(鎢極氫弧焊，熔化極氣體保護電弧焊)，還是高能密度焊接技術(電子束焊和激光焊)，都會出現焊縫成形缺陷。例如，焊道咬邊和駝峰焊道等，這是高速焊接面臨的共性問題。如果對現有的電弧焊接工藝方法進行高效化改進，充分利用其高適應性的特點，同時避免高速焊時焊縫成形缺陷的產生，實現制造業焊接生產加工的低成本和高速度，無疑具有廣闊的應用前景。這對于增強制造業的市場競爭能力，具有重要的理論意義和工程實用價值。已有研究結果證明，如果在焊接速度提高時能夠保持單位長度上熔敷的焊絲金屬量不變，同時要在焊絲和母材之間合理分配熱量，保持母材熔深不變(即減少對母材的熱輸入)，才能避免高速焊接焊縫成形缺陷的產生。這就是說，為了實現高速焊接，一方面要保證對母材的熱輸入不能過大，同時還要增大通過焊絲的焊接電流，這是一個矛盾。因為對于常規的熔化極氣體保護電弧焊，通過焊絲的焊接電流就等于作用在母材上的焊接電流，如果要提高焊絲的熔化速度，就必然增加了對母材的熱輸入。因為無法解決這一矛盾，所以常規的熔化極氣體保護電弧焊無法實現高速焊接的穩定性。為了解決高速焊中的問題，國內外很多焊接工作者提出了許多耦合電弧的焊接法，并且有一些方法在實際生產中得到了較成功的應用。例如，美國肯塔基大學的張裕明老師為了對常規的熔化極氣體保護電弧焊進行高效化改進，提出一種新型的電弧焊工藝DE-GMAW,該焊接工藝方法將一個GTAW焊槍與一個GMAW焊槍組合，GMAW焊槍與工件構成主路，GTAW焊槍構成旁路，使用一個電源進行控制輸出。流經焊絲的焊接電流在電弧弧柱區分為兩部分，一是旁路電流，二是施加到母材的電流。增大焊接電流時，作用于焊絲上的電流數值較高有利于提高焊絲的熔化速度，從而提高熔敷率。GTAW焊槍構成的旁路分流了一部分通過焊絲的焊接電流，在保證了熔敷率的同時，減小了作用于母材的熱輸入，很好地解決了上述矛盾。但該方法采用了一個電源進行控制，只能在旁路分流，不能使得旁路獨立提供電源支持，而且分流后容易導致原來的電源動特性失穩。該方法過渡形式采用的自由過渡，在角焊的時候，焊接精度要求比較高，范圍較小，而此時高電壓下，電弧比較長，不易精確控制焊接熔池和范圍，電弧波動比較大。在這種情況下工件始終處于焊接電弧的加熱下，熱輸入量大，在很高的焊接速度下，熔池不能及時冷卻，所以熔化態金屬的長度比常規速度焊接時長得多，產生熔池失穩的可能性也大大提高。山東大學和蘭州理工大學也在DE-GMAW焊接方面做了一些研究，驗證了該方法在提高焊接速度時，由于旁路分流的作用，母材上的熱輸入可以控制在一定水平，實現了良好的焊接成型效果。同時，蘭州理工大學也進一步擴展研究和改進，提出采用雙旁路耦合電弧MAG焊，是在常規的MAG焊槍兩邊分別增加一把TIG焊槍，通過旁路電極和焊絲之間產生的旁路電弧，分流一部分通過母材的電流，有效降低大電流焊接時的電弧壓力和母材熱輸入，在一定的焊接規范下可以提高焊接速度，實現高速焊接的穩定性。以上這些研究方法使用的電源是沒有做改變的原始電源，所以當采用耦合電弧分流時，通用的電源無法適應分流帶來的電源動特性改變，不能做出更有效的調整，不能實現穩定的短路過渡的形式，只能采用較為理想的射流過渡
技術實現思路
針對高效化焊接的發展趨勢和需要解決的問題，本專利技術的目的在于克服了熔化極氣體保護焊高速焊接時電流增大帶來的母材熱輸入過大、熔池不穩、焊縫成型差等缺陷。該方法采用MAG焊作為主弧，TIG電極以30度至60度的可調節角度與焊絲形成輔弧耦合在旁路。兩個獨立電源分別控制兩個焊接過程，兩個控制電路之間形成通信，并對電流和電壓的采樣信息進行反饋控制，以DSP系統協同控制兩個電源輸出，精確控制短路過渡焊接過程中的能量輸出，實現母材熱輸入和熔敷金屬量的獨立控制功能，保證線能量和母材熱輸入的穩定性。本專利技術的設計思想為MAG焊接作為主弧焊接，主要實現對焊絲和母材的加熱，并采用直流反接的接線方式來實現短路過渡；TIG電極與焊絲之間形成電弧，對焊絲進行輔助加熱，同時相應的減小了母材上的熱輸入。根據短路過渡中燃弧階段和短路階段的不同特點，以MAG和TIG輸出總電流150A-250A為基礎，控制TIG電源在燃弧階段輸出電流I1,80A ^ I1^ 200A，用來熔化更多焊絲填充焊縫；在短路階段輸出電流12，20A ^ I2 ^ 80A,用來維持電弧的穩定性。同時，該方法采用了電流電壓傳感器對兩個電弧進行實時檢測，并將檢測信號反饋到兩個電源的控制電路，用來對弧長的變化、燃弧階段和短路階段的電流變化等做出相應的調整，實現電弧狀態和短路過渡過程的穩定性。本專利技術采用的技術方案如下一種耦合電弧的短路過渡焊接系統，包括TIG焊接系統1、MAG焊接系統2、前面板輸入及顯不3、送絲系統4和電弧能量輸出5。TIG焊接系統I主電路包括整流濾波電路1.1、逆變電路1. 2、中頻變壓器1. 3、二次整流電路1. 4、電流萊姆1. 5、電壓萊姆1. 6、高頻引弧1. 7和高壓穩弧1. 8。三相輸入380V交流電接整流濾波電路1. 1，然后按順序串聯逆變電路1. 2、中頻變壓器1. 3、二次整流電路1.4三個部分，二次整流電路1. 4兩端分別接MAG焊槍5.1和TIG焊槍5. 2，電流萊姆1. 5和高頻引弧1. 7串聯在二次整流電路1. 4和TIG焊槍5. 2之間，電壓萊姆1. 6和高壓穩弧1.8并聯在MAG焊槍5.1和TIG焊槍5. 2之間。其中的控制電路包括核心部分和驅動執行部分。核心控制部分包括DSP系統1. 9、電流采樣及濾波1. 10、電壓采樣及濾波1. 11以及保護電路1. 12。DSP系統1. 9與MAG焊接部分的DSP系統2. 7相連，形成通信，并連接電流采樣及濾波1. 10、電壓采樣及濾波1. 11和保護電路1. 12，接受他們傳遞的信號，與逆變驅動電路1. 13、高頻引弧驅動電路1. 14和高壓穩弧驅動電路1. 15相連，給予它們驅動信號。電流采樣及濾波1. 10和電壓采樣及濾波1. 11的一端與DSP系統1. 9相連，另一端分別與主電路中的電流萊姆1. 5和電壓萊姆1. 6相連。驅動部分包括逆變驅動電路1. 13、高頻引弧驅動電路1. 14、高壓穩弧驅動電路1. 15。逆變驅動電路1. 13與逆變電路1. 2相連，傳遞信號給保護電路1. 12，并接收來自DSP系統1. 9的驅動信號，高頻引弧驅動電路1. 14和高壓穩弧驅動電路1. 15分別于DSP系統1. 9相連，并分別驅動高頻本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種耦合電弧的短路過渡焊接系統，其特征在于：其包括TIG焊接系統（1）、MAG焊接系統（2）、前面板輸入及顯示（3）、送絲系統（4）和電弧能量輸出（5）；TIG焊接系統（1）主電路包括整流濾波電路（1.1）、逆變電路（1.2）、中頻變壓器（1.3）、二次整流電路（1.4）、電流萊姆（1.5）、電壓萊姆（1.6）、高頻引?。?.7）和高壓穩弧（1.8）；三相輸入380V交流電接整流濾波電路（1.1），然后按順序串聯逆變電路（1.2）、中頻變壓器（1.3）、二次整流電路（1.4）三個部分，二次整流電路（1.4）兩端分別接MAG焊槍（5.1）和TIG焊槍（5.2），電流萊姆（1.5）和高頻引?。?.7）串聯在二次整流電路（1.4）和TIG焊槍（5.2）之間，電壓萊姆（1.6）和高壓穩?。?.8）并聯在MAG焊槍（5.1）和TIG焊槍（5.2）之間；其中的控制電路包括核心部分和驅動執行部分；核心控制部分包括DSP系統（1.9）、電流采樣及濾波（1.10）、電壓采樣及濾波（1.11）以及保護電路（1.12）；DSP系統（1.9）與MAG焊接部分的DSP系統（2.7）相連，形成通信，并連接電流采樣及濾波（1.10）、電壓采樣及濾波（1.11）和保護電路（1.12），接受他們傳遞的信號，與逆變驅動電路（1.13）、高頻引弧驅動電路（1.14）和高壓穩弧驅動電路（1.15）相連，給予它們驅動信號；電流采樣及濾波（1.10）和電壓采樣及濾波（1.11）的一端與DSP系統（1.9）相連，另一端分別與主電路中的電流萊姆（1.5）和電壓萊姆（1.6）相連；驅動部分包括逆變驅動電路（1.13）、高頻引弧驅動電路（1.14）、高壓穩弧驅動電路（1.15）；逆變驅動電路（1.13）與逆變電路（1.2）相連，傳遞信號給保護電路（1.12），并接收來自DSP系統（1.9）的驅動信號，高頻引弧驅動電路（1.14）和高壓穩弧驅動電路（1.15）分別與DSP系統（1.9）相連，并分別驅動高頻引弧（1.7）和高壓穩?。?.8）；MAG焊接系統（2）主電路包括整流濾波電路（2.1）、逆變電路（2.2）、中頻變壓器（2.3）、二次整流電路（2.4）、電流萊姆（2.5）、電壓萊姆（2.6）；三相輸入380V交流電接整流濾波電路（2.1），然后按順序串聯逆變電路（2.2）、中頻變壓器（2.3）、二次整流電路（2.4）三個部分，二次整流電路（2.4）兩端分別接MAG焊槍（5.1）和工件（5.3），電流萊姆（2.5）串聯在二次整流電路（2.4）和MAG焊槍（5.1）之間，電壓萊姆（2.6）并聯在MAG焊槍（5.1）和工件（5.3）之間；其中的控制電路包括核心部分和驅動執行部分；核心控制部分包括DSP 系統（2.7）、電流采樣及濾波（2.8）、電壓采樣及濾波（2.9）以及保護電路（2.10）；DSP系統（2.7）與TIG焊接部分的DSP系統（1.9）相連，形成通信，并連接電流采樣及濾波（2.8）、電壓采樣及濾波（2.9）和保護電路（2.10），接受他們傳遞的信號，與逆變驅動電路（2.10）相連，給予驅動信號；電流采樣及濾波（2.8）和電壓采樣及濾波（2.9）的一端與DSP系統（2.7）相連，另一端分別與主電路中的電流萊姆（2.5）和電壓萊姆（2.6）相連；驅動部分包括逆變驅動電路（2.11）；逆變驅動電路（2.11）與逆變電路（2.2）相連，傳遞信號給保護電路（2.10），并接收來自DSP系統（2.7）的驅動信號；前面板輸入及顯示（3）包括焊接參數給定（3.1）和焊接參數顯示（3.2）；焊接參數給定（3.1）和焊接參數顯示（3.2）均與MAG焊中的DSP系統（2.7）相連，進行顯示和送絲信號與DSP系統（2.7）的信號傳遞；送絲系統（4）包括焊槍開關（4.1）、送絲給定（4.2）、氣閥（4.3）和送絲機調速電路（4.4）；MAG焊系統中DSP通過光電隔離（4.5）與焊槍開關（4.1）、送絲給定（4.2）和氣閥（4.3）相連，焊槍開關（4.1）、送絲給定（4.2）和氣閥（4.3）通過送絲機調速電路（4）與MAG焊中送絲輪相連；電弧能量輸出（5）包括MAG焊槍（5.1）、TIG焊槍（5.2）和母材（5.3）；其中TIG焊槍（5.2）中的TIG電極與MAG焊槍（5.1）中MAG焊絲之間的距離為2?6mm，TIG電極與母材（5.3）之間的距離為3?7mm，MAG焊絲與母材（5.3）之間的距離為18?25mm。...
【技術特征摘要】
1. 一種耦合電弧的短路過渡焊接系統，其特征在于其包括TIG焊接系統(I)、MAG焊接系統(2)、前面板輸入及顯示(3)、送絲系統(4)和電弧能量輸出(5)； TIG焊接系統(I)主電路包括整流濾波電路(1.1)、逆變電路(1. 2 )、中頻變壓器(1.3)、二次整流電路(1.4)、電流萊姆(1.5)、電壓萊姆(1. 6)、高頻引弧(1.7)和高壓穩弧(1.8);三相輸入380V交流電接整流濾波電路(1.1 )，然后按順序串聯逆變電路(1. 2)、中頻變壓器(1. 3)、二次整流電路(1. 4)三個部分，二次整流電路(1. 4)兩端分別接MAG焊槍(5.1)和TIG焊槍(5. 2)，電流萊姆(1. 5)和高頻引弧(1. 7)串聯在二次整流電路(1. 4)和TIG焊槍(5. 2)之間，電壓萊姆(1. 6)和高壓穩弧(1. 8)并聯在MAG焊槍(5.1)和TIG焊槍(5. 2)之間；其中的控制電路包括核心部分和驅動執行部分；核心控制部分包括DSP系統(1.9)、電流采樣及濾波(1. 10)、電壓采樣及濾波(1. 11)以及保護電路(1. 12) ；DSP系統(1. 9)與MAG焊接部分的DSP系統(2. 7)相連，形成通信，并連接電流采樣及濾波(1. 10)、電壓采樣及濾波(1. 11)和保護電路(1. 12)，接受他們傳遞的信號，與逆變驅動電路(1. 13)、高頻引弧驅動電路(1. 14)和高壓穩弧驅動電路(1. 15)相連，給予它們驅動信號；電流采樣及濾波(1. 10)和電壓采樣及濾波(1. 11)的一端與DSP系統(1.9)相連，另一端分別與主電路中的電流萊姆(1. 5)和電壓萊姆(1. 6)相連；驅動部分包括逆變驅動電路(1. 13)、高頻引弧驅動電路(1. 14)、高壓穩弧驅動電路(1. 15);逆變驅動電路(1. 13)與逆變電路(1. 2)相連，傳遞信號給保護電路(1.12)，并接收來自DSP系統(1. 9)的驅動信號，高頻引弧驅動電路(1. 14)和高壓穩弧驅動電路(1. 15)分別與DSP系統(1. 9)相連，并分別驅動高頻引弧(1. 7)和高壓穩弧(1. 8)； MAG焊接系統(2 )主電路包括整流濾波電路(2.1)、逆變電路(2. 2 )、中頻變壓器(2.3)、二次整流電路(2. 4 )、電流萊姆(2.5)、電壓萊姆(2. 6 );三相輸入380V交流電接整流濾波電路(2. 1)，然后按順序串聯逆變電路(2. 2)、中頻變壓器(2. 3)、二次整流電路(2. 4)三個部分，二次整流電路(2. 4)兩端分別接MAG焊槍(5.1)和工件(5. 3)，電流萊姆(2. 5)串聯在...
【專利技術屬性】
技術研發人員：黃鵬飛，盧振洋，韓國良，白立來，
申請(專利權)人：北京工業大學，
類型：發明
國別省市：
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