專利名稱：一種鋁合金雙絲雙脈沖焊接方法及其焊接電源的制作方法
技術領域：
本發明屬于鋁合金高速弧焊加工技術領域，特別涉及鋁合金雙絲雙脈沖焊接技術
領域，具體是指一種鋁合金雙絲雙脈沖焊接方法及其焊接電源。
背景技術：
鋁及其合金不僅具有比重小、強度高、抗腐蝕性能強的特點，并且擁有優良的擠壓 性能、良好的可焊性、較高的比強，所以近年來已經被廣泛應用在航空、航天、核能以及軍事 工業等各個領域，而隨之相應的鋁合金焊接技術也在突飛猛進的發展。 按照現有技術，鋁及鋁合金其焊接工藝和方法除了直流單脈沖MIG焊以外，還有 以下幾種。 (l)TIG焊(Tungsten Inert Gas) TIG焊是鋁合金焊接中應用最廣的一種焊接方法。從焊接工藝特點分為直流正接 TIG焊、直流反接TIG焊和交流TIG鋁焊。直流正接TIG焊，鴇極可以承受很大的電流而不 被燒損，長時期保持鎢極端部形狀的穩定性，易于獲得性能一致的焊接接頭，但是沒有陰極 霧化作用，不易清除掉焊接過程中產生的氧化膜。直流反接TIG焊，鋁合金表面陰極斑點能 量密度高，并且氧化膜的電子逸出功小，電弧陰極斑點容易在它上面建立，受到質量很大的 正離子的撞擊時，表面氧化膜破碎蒸發被清除掉，從而達到陰極清理的目的。交流TIG鋁焊 較好的熔深和清除氧化膜分別是正、負極性鎢極氣保焊的基本特性，使用交流電源的鎢極 氣保焊在這兩種特性上取得了平衡，在正極性的半周，電弧有效地破除了附著在材料表面 的氧化鋁薄膜，而在負極性的半周，則將材料熔合。
(2)交流MIG焊 交流MIG焊發展較早，它可以有效克服直流電弧的磁偏吹。交流MIG焊可以看成 是交替切換DCEP PMIG電弧及DCEN PMIG電弧形成的。它的電弧力及電弧熱的特點介于 DCEP PMIG及DCEN PMIG之間，其熔深介于二者之間，有利于穩定焊接過程及焊接質量。在 許多國家，特別是日本，仍在不斷的加強、完善它，如過零技術、起弧技術等等。交流MIG焊 可用于焊非常薄的鋁板。焊絲位于負極時，可加快焊絲的熔化速度。當焊絲為正極時，可實 現陰極破碎作用，因此可很靈活地調節電流波形來滿足焊接現場的要求。
(3)鋁合金變極性等離子弧焊(VPPA) 在航空、航天領域，飛行器的制造過程經常涉及到鋁合金厚件的焊接，由于TIG焊 熱效率較低，一般只能焊接3mm以下的鋁合金板材，厚度增加必須開坡口，厚度達到一定值 時需要采用多層焊的方法，大大降低了生產效率，且電極燒損較快。采用變極性等離子弧焊 技術能有效地解決上述問題。變極性等離子弧焊接方法與鎢極氬弧焊(電弧溫度8000K) 相比較，具有能量集中、電弧溫度高(16000 33000K)、穿透性強、穩定性好、焊接速度快等 特點，焊縫質量好、熱影響區小，變形小等優點，能一次性焊透12mm的鋁合金板材，而不用 開坡口，大大提高了焊接生產效率。通過小孔型立焊工藝可消除氣孔等焊接缺陷，實現"無 缺陷"焊接，從而可解決長期以來難以解決的鋁合金構件焊接質量不穩定的問題。[OOW] (4)低頻調制型脈沖焊(雙脈沖MIG焊) 低頻調制型脈沖焊是用0. 5-50Hz的低頻脈沖對頻率較高的單位脈沖(控制熔滴 過渡的脈沖)的峰值和時間進行調制，使單位脈沖的強度在強和弱之間低頻周期性切換， 得到周期性變化的強弱脈沖群，電弧力和熱輸入相應地也隨低頻調制頻率而變化。用于焊 鋁及其合金，不僅能獲得魚鱗狀焊縫表面，而且能擴大可焊焊接接頭的間隙變化范圍，減少 焊接氣孔，細化焊縫晶粒，降低焊縫裂紋敏感性。
(5)激光焊 用于鋁合金的激光焊設備從介質上分，主要有兩種，一種是(A激光裝置，目前已 開發用于工業焊接的整機功率已達45KW ;另一種是一個帶釔鋁石榴石涂層的釹單晶棒的 激光Nd:YAG裝置，已開發的整機功率已達5KW。激光焊的主要特點是焊速高，變形小，較易 實現焊接的自動化，例如鋁制汽車車體的焊接。激光焊用于鋼鐵件的焊接是非常成功的，但 用于鋁的焊接工作時，就會出現問題。由于鋁件表面對激光的反射作用以及鋁的高熱傳導 率，需要增大激光能量密度，在有的激光裝置中，經過聚焦，其能量密度已大于107W/cm2。在 C02激光裝置中，能量密度應大于4X 106W/cm2，否則焊束缺乏穿透力；焊縫氣孔較多，并且 容易產生裂紋。在Nd:YAG激光裝置中，由于所產生的激光波長較短，為1.06iim，鋁合金表 面對其產生的反射作用較小，所以以上問題尚不突出。 其中，低頻調制型脈沖焊(雙脈沖MIG焊)生產率高、易實現自動化，是鋁合金焊 接生產的主要工藝方法之一。以往幾乎所有脈沖焊的研究和應用都是針對鋼，而隨著鋁的 廣泛應用，最近幾年關于鋁合金脈沖焊接的研究也逐漸增多。但是在實際的鋁焊接應用中 依然存在著很多的問題，為了獲得更好的焊接質量，對雙脈沖MIG焊鋁的工藝特點進行研 究具有重要的意義。 雙脈沖MIG焊是在常規脈沖MIG焊技術的基礎上針對鋁合金焊接而設計的一種新 工藝。如果參數設置得當，就可以降低氣孔發生率，細化焊縫晶粒，擴寬焊接頭間隙范圍，從 而在確保焊接質量的前提下，實現較高的焊接效率。然而，在進行雙脈沖MIG焊的時候需要 調節的參數非常多，所以它也是一項相對比較復雜的工藝。 一些重要參數，如強弱脈沖的基 值峰值電流大小和時間，強弱脈沖的頻率和占空比，送絲速度和焊接速度等，對于焊接過程 的穩定性和焊縫成形都有直接的影響。如果要在每次焊接前正確搭配好所有的參數，無疑 給焊接人員帶來了巨大挑戰。并且鋁合金的物理特性與鋼差別較大，對焊接參數的搭配要 求比較高，任何一個參數選擇不合理都有可能導致焊接效果急劇惡化。所以如何進行各項 參數的合理匹配，并形成一元化調節的專家數據庫，是擺在焊接領域研究人員面前的重要 課題。可以看出，數字控制在這個過程當中能夠起到顯著的作用。因此，在MIG焊工藝研究 的基礎上進行鋁合金雙脈沖MIG焊的數字控制研究，對獲得優異的鋁合金自動焊效果具有 極其重要的意義。 在國外，FRONIUS公司和CLOOS公司都已經開發出了一系列帶有專家數據庫的數 字化逆變式脈沖MIG/MAG焊機，這些焊機售價高昂，其核心技術就是其中可以不斷升級的 專家數據庫。但在國內，雙脈沖焊鋁技術正在研究之中，國內產焊機都還不能進行雙脈沖 MIG焊的穩定焊接，更不用說雙絲帶有雙脈沖焊接專家庫系統了的焊機了 。
發明內容
本發明的目的在于針對鋁合金焊接技術的發展趨勢，為擴大焊接電源使用范圍并 提高焊接效率，提供一種適用于鋁合金雙脈沖MIG焊接的，系統穩定性好、焊接效率高、調 試方便、具有良好操作界面、使用簡單、帶有焊接專家系統的鋁合金雙絲雙脈沖數字化軟開 關逆變焊接電源。 為了實現上述目的，本發明的焊接系統包括一種由絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)
作為開關元件的移相軟開關全橋逆變主電路，DSP控制電路以及人機交互系統。 所述鋁合金雙絲雙脈沖焊接方法是指在高頻的基礎上，再對高頻電流波形進行低
頻調制，使單位脈沖的強度在強和弱之間低頻周期性切換，得到周期性變化的強弱脈沖群，
通過兩路脈沖群相位的配合實現鋁合金的高效優質焊接。具體講包括如下步驟 1)參數初始化后，DSP控制軟件模塊向人機交互系統發送焊接開始信號，接收獲
取焊接參數，同時根據此參數進行一元化調節，自動獲取其它相對應的焊接參數。每路脈沖
群的參數分別包括強脈沖峰值電流Ips和時間Tps、強脈沖基值電流Ibs和時間Tbs、弱脈
沖峰值電流Ipw和時間Tpw、弱脈沖基值電流Ibw和時間Tbw、強脈沖時間Ts和弱脈沖時間
Tw，其中pulsew表示弱脈沖群，pulses表示強脈沖群； 2)引弧成功后進入正常焊接過程，在此過程中進行瞬時能量熔滴過渡波形控制。 瞬時能量指電弧的瞬時電流和瞬時電壓的乘積，系統通過檢測并調整電源輸出的瞬時電 流、電壓波形，控制熔滴的能量，以達到減小飛濺和控制熔滴大小一致均勻過渡的目的；
3)DSP首先控制主電路1進入強脈沖階段，主電路2比主電路1滯后一定相位進入 強脈沖控制階段，此相位關系a可調，通過調節相位關系控制焊縫外形；
4)主電路1和主電路2分別進行強脈沖的峰值、基值交替控制，直至強脈沖控制階 段結束，DSP控制主電路1進入弱脈沖控制階段，主電路2比主電路1依然滯后強脈沖階段 時的相位，主電路1和主電路2進行弱脈沖峰值、基值交替控制，直至弱脈沖控制階段結束；
5)若焊槍沒有松開，則繼續進行強弱脈沖的交替瞬時能量熔滴過渡波形控制，若 焊槍松開，則進入到收弧階段，收弧結束焊機進入等待焊接命令狀態； 6)系統如果沒有接收到具體的焊接參數，那么焊機按照上次設定的參數進行工 作。 所述主電路由依次連接的整流濾波模塊、高頻逆變模塊、功率變壓模塊、整流平滑 模塊組成。整流濾波輸入模塊與三相交流電相連，再連接高頻逆變模塊，高頻逆變模塊的輸 出連接功率變壓模塊。整流平滑模塊與負載相連。同時，過流檢測模塊的傳感器連接在功 率變壓模塊初級線圈上；傳感器與負載連接獲得電流采樣信號，電壓信號直接從負載兩端 取得。 所述DSP控制電路主要由DSP控制器TI DSP 2808與外圍電路構成。包括過壓欠 壓保護檢測模塊、DSP控制器、電流電壓采樣檢測與反饋模塊、高頻驅動模塊、過流檢測模塊 和溫度檢測模塊，另還有一 JTAG 口用于程序的下載燒錄。DSP控制器分別與高頻驅動模塊、 電流電壓采樣檢測與反饋模塊、過壓欠壓保護檢測模塊和過流檢測模塊相連接。所述電流 電壓采樣檢測與反饋模塊的另一端還與負載相連接。過壓欠壓保護檢測模塊的另一端還與 三相交流輸入端相連接。高頻驅動模塊還與高頻逆變模塊相連接。過流檢測模塊的另一端 與功率變壓模塊的初級相連。溫度檢測模塊的另一端還與散熱器連接。DSP控制器還連接
6有人機交互系統，電流電壓采樣檢測與反饋模塊也與人機交互系統相連。同時，DSP控制器 中還設有一個DSP控制軟件模塊。 所述高頻驅動模塊主要起到數模隔離以及功率放大作用， 一個模塊中包括4個由 光耦TLP250與外圍電路構成的高頻驅動單元。光耦輸入EP麗3A接到DSP控制器的P麗輸 出I/O 口，由DSP控制器輸出的四路相位差可調、死區時間可調的P麗信號，隔離和放大之 后變成能夠驅動IGBT功率器件的四路兩兩互補的驅動信號。 所述電流電壓采樣檢測與反饋模塊由霍爾元件檢測輸出電流，得到采樣信號，經 過分壓，濾波，限壓到DSP控制器。電壓采樣反饋電路直接與負載相連，對輸出端電壓進行 取樣，信號經過濾波、運放、光藕隔離、分壓和限壓送給DSP。此外，調理出來的電流電壓采樣 信號亦會送至人機交互系統，由其進行A/D轉換并于人機交互系統上顯示實際焊接電流、 電壓的值。 所述過流檢測模塊主要對功率變壓模塊的初級端的電流進行檢測，由運放，光耦 等元件構成。 所述過壓欠壓保護檢測模塊主要起到在電網電壓的波動時關斷P麗信號輸出的 作用，由運放，光耦等元件構成。 所述溫度檢測模塊包括溫度傳感器、過熱光耦、外圍電路，其一端與散熱器上的溫 度傳感器相連接，另一端與DSP控制器的中斷輸入引腳相連。 所述人機交互系統主要作用是用于參數給定的數字輸入以及電源工作過程中的 各種參數的數字顯示，其以一塊LM3S818作為控制核心，結合CPLD實現接收焊接開關命令， 處理鍵盤與編碼器的操作，負責參數的選擇與輸入，并對電流電壓采樣檢測與反饋模塊所 產生的焊接狀態參數進行采樣處理，并利用RS232串行總線和GPIO腳與主控芯片DSP通 信。同時，該面板采用模塊化的設計思想，具有良好的可移植性，該面板包括電源及通訊接 口模塊、數字編碼器輸入模塊，顯示及按鍵模塊、主控模塊，其中主控模塊包括ARM和CPLD 最小系統。 其中，LM3S818接收DSP控制電路發送的焊接開關命令，處理鍵盤與編碼器的操 作，負責參數的選擇與輸入，并對電流電壓采樣檢測與反饋模塊所產生的焊接狀態參數進 行采樣處理。對EPM240T100CPLD復雜可編程邏輯器件進行編程處理后，LM3S818與CPLD之 間通過SPI單方向通信，由ARM向CPLD發送顯示指令，CPLD經過編譯后對數碼管和LED作 出控制，使顯示與鍵盤操作相對應。 人機交互系統控制系統采用了 MCU+CPLD的設計方式來對數字化面板的輸入輸出 設備進行控制，這樣既可以利用MCU的控制和運算能力對面板的輸入輸出操作進行程序 控制，產生相應控制命令；又可以利用CPLD豐富的I/O引腳和可靈活編程的特點，把MCU 發送的命令轉化為面板上數碼管和相應LED的顯示。LM3S818的GPI0 Fl F5與CPLD EPM240T100的PA2 PA4引腳相連接，進行SPI通信，傳輸需顯示的數據。正交編碼器的 A、 B引腳與CPLD的G3、 G2腳相連接，對編碼器的輸入信號進行去毛剌處理，然后將處理后 的信號送入MCU的QEI接口 ，即CPLD的GO和Gl與LM3S818的PC6、 PC7相連，用編碼器來 改變參數的值。CPLD同時控制著面板上所有的LED燈與2個數碼管的顯示，按鍵則由ARM 控制器控制。ARM控制器還與MAX232相連接，用于接受主控DSP的命令并向其傳輸人機交 互系統所設定的參數。
所述的DSP控制軟件模塊對電源系統進行控制的具體流程為 1)參數初始化后，向人機交互系統發送焊接開始信號，接收獲取面板設定的參數， 并根據已設定的參數進行一元化設置，由專家系統自動獲得其它與此相對應的參數；
2)進入起弧子程序，開始引弧，引弧成功后進入正常焊接過程，此時開始進入瞬時 能量熔滴過渡波形控制階段； 3) DSP首先控制主電路1進入強脈沖階段，主電路2比主電路1滯后一定相位進入 強脈沖控制階段，此相位可調； 4)主電路1先進入強脈沖的峰值控制階段，主電路2進入基值控制階段； 5)主電路1強脈沖峰值控制階段時間到，則進入強脈沖基值控制階段，主電路2進
入強脈沖峰值控制階段； 6)主電路1和主電路2分別進行強脈沖的峰值、基值交替控制，直至主電路1強脈 沖控制階段結束； 7) DSP控制主電路1進入弱脈沖控制階段，主電路2在完成強脈沖控制階段后，依 然比主電路1滯后相應的相位進入弱脈沖控制階段； 8)主電路1先進入弱脈沖峰值控制階段，主電路2進入基值控制階段； 9)主電路1弱脈沖峰值控制時間到，則進入弱脈沖基值控制階段，主電路2進入弱
脈沖峰值控制階段； 10)主電路1和主電路2分別進行弱脈沖的峰值、基值交替控制，直至主電路1弱 脈沖控制階段結束； 11)若焊槍沒有松開，則繼續進行3)_10)所述強弱脈沖的交替的瞬時能量熔滴過 渡波形控制；若焊槍松開，則結束瞬時能量熔滴過渡波形控制階段，主電路1與主電路2同 時進入到收弧階段，收弧結束并向人機交互系統發送焊接結束信號，焊機進入等待焊接命 令狀態。 在DSP控制軟件模塊中，還包括專家系統。所述專家系統是針對鋁合金雙脈沖焊 接所建立的專家系統，可對各類鋁合金按照雙脈沖焊接工藝特點進行焊接性分析，焊接人 員可方便地查詢到分析結果，同時還可以對系統提供的焊接性分析結果進行瀏覽、修改、添 加、刪除。專家系統中還內置了各種焊接特性的參考條件和各種參數的參考范圍，可以直接 選擇相應的焊接條件進行一元化調節，也可以在專家系統推薦參數范圍中自行選擇、設置 和調整。 在DSP控制軟件模塊中，還包括瞬時能量熔滴過渡波形控制過程與小波濾波控制 算法。所述瞬時能量指電弧的瞬時電流和瞬時電壓的乘積，它的大小決定了電弧的長短和 熔滴的過渡形式，它對焊縫成形、飛濺、焊接缺陷以及焊縫的力學性能有很大的影響。本系 統通過檢測電源輸出的瞬時電流、電壓波形，控制熔滴的能量，以達到減小飛濺和熔滴大小 一致過渡均勻的目的。 在對脈沖峰值和基值的波形控制過程中，需要對電流或者電壓的檢測采樣信號進 行小波濾波算法控制，經小波濾波后得到更精確的采樣信號，與給定的控制要求信號進行 比較，調整下次輸出。 本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果 1)本發明在國內首次提出并實現了全數字化的雙絲雙脈沖焊接方法和焊機開發，通過DSP TMS320F2808直接對雙絲的協同控制，使焊機具有更好的一致性、動態響應性能。 利用軟件實現雙脈沖波形的控制，從而使焊接波形更為精確； 2)本發明區別于現有雙絲焊機技術的一個特點就是雙絲在同一個主機中，利用同 一個DSP直接控制兩臺焊機，不再是傳統的主從式雙絲焊機結構， 一方面節約體積，降低成 本，另外一方面減少通信所帶來的問題； 3)本發明專利通過軟件實現了雙脈沖的波形控制，并通過大量實驗，大致確定了 兩路脈沖的相位匹配關系；其次將前期研究成果_瞬時能量熔滴過渡波形控制、小波濾波 控制算法、焊接速度與焊縫成形的定量關系等運用在脈沖波形控制過程中，在專家系統中 設計了參數的參考區間，可以使焊接過程的控制更精確，參數設置更可靠。從而實現穩定的 焊接過程，提高焊接質量； 4)本發明專利針對雙絲雙脈沖焊接控制波形參數眾多，控制參數調節復雜的現 狀，設計并開發了雙絲雙脈沖工藝專家系統，利用智能的專家系統實現了參數的一元化調 節，大大的提高了焊機的智能程度，降低了操作難度。
圖1是本發明的一具體實施例的系統組成結構框圖； 圖2是本發明的一具體實施例的軟開關主電路的電路原理圖； 圖3是本發明的一具體實施例的驅動和脈寬調制模塊的電路原理圖； 圖4是本發明的一具體實施例的DSP控制器電路原理圖； 圖5(a)是本發明的一具體實施例的檢測和保護環節電路原理圖 圖5(b)是本發明的一具體實施例的檢測和保護環節電路原理圖 圖5(c)是本發明的一具體實施例的檢測和保護環節電路原理圖 圖5(d)是本發明的一具體實施例的檢測和保護環節電路原理圖 圖6是本發明的一具體實施例的人機交互系統原理框圖； 圖7是本發明的一具體實施例的人機交互系統控制系統電路圖； 圖8是本發明的一具體實施例的工作過程軟件控制流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例，對本發明做進一步的詳細說明，但是本發明的實施方法 和要求保護的范圍并不局限于此。 如圖1所示，為本發明的多功能數字化雙絲軟開關焊接電源，由主電路1和主電路 2，驅動與檢測電路1和驅動與檢測電路2， DSP控制器108，過壓欠壓保護檢測模塊109，以 及人機交互系統110構成。其中，主電路1和主電路2的結構組成是相同的，驅動和檢測電 路1和驅動和檢測電路2也是如此。以主電路1為例，由依次連接整流濾波模塊101、高頻 逆變模塊102、功率變壓模塊103、整流平滑模塊104組成。整流濾波模塊101和三相交流 輸入電源相連接，整流平滑模塊104與負載相連接。此外，驅動與檢測電路l由溫度檢測模 塊106、高頻驅動模塊105、過流檢測模塊111、電流電壓采樣檢測與反饋模塊107組成。DSP 控制器108分別與高頻驅動模塊105、電流電壓采樣檢測與反饋模塊107、過壓欠壓保護檢 測模塊109和過流檢測模塊111相連接，電流電壓采樣檢測與反饋模塊107的另一端還與
9負載相連接，過壓欠壓保護檢測模塊109的另一端還與三相交流輸入端相連接，高頻驅動 模塊105還與高頻逆變模塊102相連接，過流檢測模塊111的另一端與功率變壓模塊103 的初級相連。DSP控制器108還分別連接有人機交互系統110、溫度檢測模塊106。其中，溫 度檢測模塊106包括溫度傳感器、過熱光耦、外圍電路，其一端與散熱器上的溫度傳感器相 連接，另一端與DSP控制器108的中斷輸入引腳相。人機交互系統110包括給定信號、輸出 信號處理以及顯示電路。 如圖2所示，以主電路1為例，三相交流輸入電源連接整流模塊101的整流橋，然 后連接濾波器件k、 C5—8，再連接高頻逆變模塊102的逆變橋V1V4、 Cn—14、 R5—8，其中，R5—8在 實際電路中用零電阻線代替，Cn—14為外接的諧振電容。高頻逆變模塊102的輸出連接功率 變壓模塊103的高頻功率變壓器T1初級，變壓器次級通過高頻全波整流電路D卜4、濾波環 節L2、 C9—1Q、 C15—16、 YIV2， R9后輸出直流電，以上環節構成功率主電路。高頻逆變模塊102包 括TR1和TR2兩個逆變橋臂(分別為超前橋臂和之后橋臂)，每個橋臂包含了兩個單元的 IGBT。同時，過流檢測模塊111的傳感器HI連接在功率變壓模塊103初級線圈上；電流電 壓采樣檢測與反饋模塊107為傳感器H2與負載連接獲得電流采樣信號，電壓信號直接從負 載兩端取得。另一主電路2與此相同。 如圖3、4所示，高頻驅動模塊105主要起到數模隔離以及功率放大作用，一個模塊 中包括4個由光耦TLP250與外圍電路構成的高頻驅動單元。圖3為其中一路驅動的電路 圖，光耦輸入EP麗3A接到DSP控制器108的P麗輸出I/O 口，由DSP控制器108輸出的四 路相位差可調、死區時間可調的P麗信號，通過高頻驅動模塊105的隔離和放大之后變成能 夠驅動IGBT功率器件的四路兩兩互補的驅動信號，驅動單邊主電路中的超前和滯后逆變 橋臂TR1、 TR2的四個IGBT開關器件VT「VT4，由DSP控制器108提供的P麗信號經過高頻 驅動模塊105隔離放大之后，轉變為正半波最高幅值+15V，負半波最低幅值-15V的交流脈 沖信號，可以滿足大功率IGBT可靠開啟和關斷的需要。通過控制超前臂和滯后臂的相位差 異，也即控制P麗的移相角，逆變主回路中的外接諧振電容、寄生電容和功率變壓器的寄生 電感、漏感等構成了一個LC諧振回路，在功率開關器件開關過程中實現零電壓諧振換流， 開關損耗低，器件的電磁應力大幅度降低。 如圖4所示，DSP控制器主要由DSP TMS320F2808最小系統和串口電平轉換芯片 MAX3232相互連接組成，另還有一 JTAG 口用于程序的下載燒錄。DSP的ADCINAO ADCINA5 與電流電壓檢測模塊連接，完成采樣的模擬信號到數字信號的轉換；GPI04 GPI011輸 出8路P麗信號與高頻驅動模塊105連接；GPI012、 GPI013、 GPI016分別與變壓器初級電 過流檢測模塊111流檢測模塊、過壓欠壓保護檢測模塊109、溫度檢測模塊106連接。DSP TMS320F2808作為控制的核心，采樣信號與給定信號在DSP內進行運算，確定P麗信號移 向的的大小，輸出4路移向脈寬調制信號，從而控制電源的輸出。DSP的1/0端口 GPI014/ SCITXDB、 GPI015/SCIRXDB分別與MAX3232的引腳DIN1和D0UT1相連接，用于與人機交互 系統IIO之間的通訊。 如圖4、5(a)所示，電流電壓采樣檢測與反饋模塊107主要起到電流電壓的采樣反 饋作用，以實現閉環控制。電流采樣檢測與反饋電路中，在電源輸出端采用了電流霍爾傳感 器H2，P15與H2相連，當電流霍爾傳感器采集端電流為IOOA時，傳感器輸出電流為100mA。 通過采用適當的電阻元件，使得當焊接電流從0-400A變化時，反饋電路處理后的信號變化范圍是0-4V。再經過分壓，濾波，限壓等調整后得到信號CURRENT-FBK送給DSP，由DSP進 行運算。電壓采樣檢測與反饋電路中直接對輸出端電壓進行取樣，經過低通濾波去除信號 中的高頻信號，再經過運放、光藕隔離，調理成0-5V的直流電壓信號，最后再通過分壓和限 壓得到信號VOLTAGE-FBK，送給DSP。此外，調理出來的電流電壓采樣信號亦會送至人機交 互系統的ADC端口 ，由其進行A/D轉換并于人機交互系統上顯示實際焊接電流、電壓的值。
如圖4、5 (b)所示，P7與傳感器H1連接，過流檢測模塊主要對功率變壓模塊103的 初級端的電流進行檢測。當初級電流超過一定值時，產生過流信號，光耦導通，CURRENT-EXC 電平被拉低，DSP不需要經過程序即將P麗信號切斷，切斷過程由DSP硬件完成。DSP的1/ 0 口 GPI012/TZ1電平被拉低同時也會觸發一個中斷，在中斷程序里，DSP可以進行進一步的 處理和動作。 如圖4、5(c)所示，P18與溫度傳感器TH1相連接。溫度檢測模塊的溫度傳感器安 裝在IGBT模塊所在散熱器上，用以檢測IGBT發熱是否超過規定量。溫度傳感器是常閉開 關，若觸發則斷開，產生過熱信號，使過熱光藕導通，CURRENT-EXC電平被拉低，即DSP的I/O 口 GPI016/TZ5電平被拉低，此時DSP程序中可以根據此1/0判斷是否產生過熱信號，并進 行處理。 如圖4、5(d)所示，過壓欠壓保護檢測模塊109主要起到在電網電壓的波動時關斷 P麗信號輸出的作用。三相電路經變壓器降壓、整流成直流信號VFB，所以VFB正比例于電 網電壓。當VFB過高于設定值或低于設定值時，兩個比較器比較結果做相"與"運算，結果 為低電平"0"， VOLTAGE-EXC電平被拉高，即DSP的I/O 口 GPI013/TZ2電平被拉高，DSP關 斷P麗信號輸出，并進行故障處理。 如圖6所示，人機交互系統110主要作用是用于參數給定的數字輸入以及電源工 作過程中的各種參數的數字顯示。LM3S818接收DSP控制器108發送的焊接開關命令，處理 鍵盤與編碼器的操作，負責參數的選擇與輸入，并對電流電壓采樣檢測與反饋模塊107所 產生的焊接狀態參數進行采樣處理。對EPM240T100CPLD復雜可編程邏輯器件進行編程處 理后，LM3S818與CPLD之間通過SPI單方向通信，由ARM向CPLD發送顯示指令，CPLD經過 編譯后對數碼管和LED作出控制，使顯示與鍵盤操作相對應。 如圖7所示，人機交互系統110控制系統采用了 MCU+CPLD的設計方式來對數字化 面板的輸入輸出設備進行控制。這樣既可以利用MCU的控制和運算能力對面板的輸入輸出 操作進行程序控制，產生相應控制命令；又可以利用CPLD豐富的I/O引腳和可靈活編程的 特點，把MCU發送的命令轉化為面板上數碼管和相應LED的顯示。LM3S818的GPIO Fl F5與CPLD EPM240T100的PA2 PA4引腳相連接，進行SPI通信，傳輸需顯示的數據。正交 編碼器的A、B引腳與CPLD的G3、G2腳相連接，對編碼器的輸入信號進行去毛剌處理，然后 將處理后的信號送入MCU的QEI接口 ，即CPLD的GO和Gl與LM3S818的PC6、 PC7相連，用 編碼器來改變參數的值。CPLD同時控制著面板上所有的LED燈與2個數碼管的顯示，按鍵 則由ARM控制器控制。ARM控制器還與MAX232相連接，用于接受主控DSP的命令并向其傳 輸人機交互系統所設定的參數。 如圖8所示為控制軟件流程圖，參數初始化后，DSP控制軟件模塊向人機交互系統 發送焊接開始信號，并接收獲取焊接參數，同時根據此參數進行一元化調節，自動獲取其它 相對應的焊接參數，開始引弧，引弧成功后進入正常焊接過程，在此過程中進行瞬時能量熔滴過渡波形控制。DSP首先控制主電路1進入強脈沖階段，主電路2比主電路l滯后一定相 位進入強脈沖控制階段，此相位可調。主電路1和主電路2分別進行強脈沖的峰值、基值交 替控制，直至強脈沖控制階段結束。DSP控制主電路1進入弱脈沖控制階段，主電路2比主 電路1依然滯后強脈沖階段時的相位。主電路1和主電路2進行弱脈沖峰值、基值交替控 制，直至弱脈沖控制階段結束。若焊槍沒有松開，則繼續進行強弱脈沖的交替瞬時能量熔滴 過渡波形控制，若焊槍松開，則同時進入到收弧階段，收弧結束則焊機進入等待焊接命令狀 態。 應用本發明的多功能數字化雙絲軟開關焊接電源時，人機交互系統110選擇焊接 方式并設定參數，三相工頻交流電經過濾波模塊101后變成平滑直流電后進入高頻逆變模 塊102， DSP控制器108根據電流電壓采樣檢測與反饋模塊107檢測到負載的電流、電壓信 號與給定的參數進行比較，經過DSP控制器108的PI運算，產生四路兩兩互補的帶死區的 移相P麗信號，這四路P麗信號通過高頻驅動模塊105放大后控制高頻逆變模塊102的開 關管在零電壓下的開通和關斷，實現軟開關，從而得到25KHz高頻高壓電，高頻高壓電再經 過功率變壓模塊103轉換成大電流低電壓的交流脈沖電流，再經過整流模塊104得到更加 平滑的直流脈沖電流。過流檢測模塊111檢測功率變壓模塊103的初級電流，如出現過流 情況，則出發DSP的一個中斷，關閉高頻逆變模塊102，保護主電路安全工作。過壓欠壓保護 檢測模塊109檢測三相工頻電壓，如出現過壓或者欠壓現象，則觸發DSP中斷，關閉高頻逆 變模塊102。 本發明體現了輕便高速的特性。本實施例首次以高速的嵌入式數字信號處理器 DSP TMS320F2808為核心，充分利用DSP芯片在嵌入式控制方面的優越性能，采用模塊化、 可移植的設計方法，通過軟件編程實現電源輸出特性控制、焊接控制波形、人機交互系統。 兩個主電路的8路移相P麗信號都直接由DSP通過編程方式輸出，最終實現弧焊電源的全 數字化控制。其次通過同一個控制核心實現了兩個主電路的控制，兩個主電路集中在同一 個電源中，與以往的雙絲主從機結構有較大區別，通過對焊機結構的合理設計，使電源體積 減小30%以上。此外，主從機之間不再需要通信，使雙絲雙脈沖焊機具有更好的一致性、動 態響應性能和可擴展性。整體設計充分體現了輕便高速的特性。 本發明實現了高效節能。本實施例采用兩根焊絲，通過高低頻率脈沖的配合，實現 雙脈沖雙絲焊。在取得優良的焊接質量的同時，利用雙絲焊技術可以獲得更高的焊接效率。 此外，利用前期成果_軟開關雙絲弧焊技術，使能源利用率達到90%以上，在進一步提高雙 絲雙脈沖焊機的效率的同時有效減少能源消耗。 本發明控制精確。本實施例充分利用了 DSP嵌入式微處理器的高速運算和數據處 理能力，對焊接電弧的瞬時能量進行實時采集和分析，根據電弧狀態實時自動控制焊接電 源的輸出特性，以達到對焊接電弧瞬時能力優化輸出和調節的目的。其次通過檢測反饋輸 出電流電壓，對電弧變化進行快速響應，并及時調整輸出能量，使控制更精確，以獲得優質 的焊接質量。其次利用熔滴過渡波形控制方法進行了精確的波形控制。
本發明具有智能宜人的特征。本實施例內集成了雙脈沖焊接工藝專家系統，能通 過一元化調節的方式，實現雙脈沖參數的自動調節，有效解決了雙脈沖焊接工藝參數過多 的問題，降低了操作難度，實現了系統智能化操作。其次，借助ARM控制核心，開發了專用的 人機交互系統，從而增強了系統的宜人性。
本發明可以實現產品的美觀優質。本實施例通過對兩根焊絲之間的相位控制，能 獲得比一般的雙脈沖焊接獲得更為細致的魚鱗紋，還可以通過調節雙絲之間的相位差，從 而控制魚鱗紋的間距，獲得更為美觀的外形。其次可以進一步雙絲相位的配合，減少氣孔發 生率、細化焊縫晶粒、降低裂紋敏感性，使焊縫質量更優良。 綜上，本發明提供了一種適用于鋁合金焊接的，具有系統穩定性好、焊接效率高、 調試方便、具有良好操作界面、使用簡單、帶有焊接專家系統的雙絲雙脈沖數字化軟開關焊 接電源系統。 在此說明書中，本發明已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出 各種修改和變換而不背離本發明的精神和范圍。因此，說明書和附圖應被認為是說明性的 而非限制性的。
權利要求
一種鋁合金雙絲雙脈沖焊接方法，其特征在于兩個主電路分別產生一路雙脈沖波形，雙脈沖波形指在高頻的基礎上，再對高頻電流波形進行低頻調制，使單位脈沖的強度在強和弱之間低頻周期性切換，得到周期性變化的強弱脈沖群，兩路脈沖群通過相位配合實現鋁合金的高效優質焊接，具體的方法包括如下步驟1)參數初始化后，DSP控制軟件模塊向人機交互系統發送焊接開始信號，接收獲取焊接參數，同時根據此參數進行一元化調節，自動獲取其它相對應的焊接參數。每路脈沖群的參數分別包括強脈沖峰值電流Ips和時間Tps、強脈沖基值電流Ibs和時間Tbs、弱脈沖峰值電流Ipw和時間Tpw、弱脈沖基值電流Ibw和時間Tbw、強脈沖時間Ts和弱脈沖時間Tw，其中pulsew表示弱脈沖群，pulses表示強脈沖群；2)引弧成功后進入正常焊接過程，在此過程中進行瞬時能量熔滴過渡波形控制。瞬時能量指電弧的瞬時電流和瞬時電壓的乘積，系統通過檢測并調整電源輸出的瞬時電流、電壓波形，控制熔滴的能量，以達到減小飛濺和控制熔滴大小一致均勻過渡的目的；3)DSP首先控制主電路1進入強脈沖階段，主電路2比主電路1滯后一定相位進入強脈沖控制階段，此相位關系a可調，通過調節相位關系控制焊縫外形；4)主電路1和主電路2分別進行強脈沖的峰值、基值交替控制，直至強脈沖控制階段結束，DSP控制主電路1進入弱脈沖控制階段，主電路2比主電路1依然滯后強脈沖階段時的相位，主電路1和主電路2進行弱脈沖峰值、基值交替控制，直至弱脈沖控制階段結束；5)若焊槍沒有松開，則繼續進行強弱脈沖的交替瞬時能量熔滴過渡波形控制，若焊槍松開，則進入到收弧階段，收弧結束焊機進入等待焊接命令狀態；6)系統如果沒有接收到具體的焊接參數，那么焊機按照上次設定的參數進行工作。
2. 根據本發明所述的方法設計的一種鋁合金雙絲雙脈沖焊接電源系統，其特征在于， 包括一體化的IGBT軟開關主電路，DSP控制電路以及人機交互系統，其中，所述的IGBT軟開 關主電路包括依次連接的整流濾波模塊、高頻逆變模塊、功率變壓模塊、整流平滑模塊，其 中，DSP控制電路包括過壓欠壓保護檢測模塊、DSP控制器、電流電壓采樣檢測與反饋模塊、 高頻驅動模塊、過流檢測模塊、溫度檢測模塊以及一 JTAG 口，同時，所述的DSP控制器中設 有DSP控制軟件模塊，所述的DSP控制軟件模塊包括專家系統，DSP控制軟件模塊用于對電 源系統進行具體控制，進一步，所述的電源系統具體由一個DSP控制電路控制兩個IGBT軟 開關主電路。
3. 根據權利要求2所述的一種鋁合金雙絲雙脈沖焊接電源系統，其特征在于，所述的 整流濾波模塊的輸入與三相交流電相連，整流濾波模塊的輸出連接高頻逆變模塊，高頻逆 變模塊的輸出連接功率變壓模塊，連接功率變壓模塊的輸出連接整流平滑模塊，整流平滑 模塊的輸出與負載相連。
4. 根據權利要求2所述的一種鋁合金雙絲雙脈沖焊接電源系統，其特征在于，所述的 溫度檢測模塊包括溫度傳感器、過熱光耦、外圍電路，溫度檢測模塊的一端與散熱器相連 接，另一端與DSP控制器的中斷輸入引腳相連。
5. 根據權利要求2所述的一種鋁合金雙絲雙脈沖焊接電源系統，其特征在于，所述的 DSP控制器分別與高頻驅動模塊、電流電壓采樣檢測與反饋模塊、過壓欠壓保護檢測模塊、 溫度檢測模塊和過流檢測模塊相連接，同時，DSP控制器與人機交互系統相連接，電流電壓 采樣檢測與反饋模塊與人機交互系統相連接，所述的過流檢測模塊的另一端與功率變壓模塊的初級相連，所述電流電壓采樣檢測與反饋模塊的另一端與負載相連接，所述的過壓欠 壓保護檢測模塊的另一端與三相交流輸入端相連接，所述的高頻驅動模塊與高頻逆變模塊 相連接。
6. 根據權利要求2所述的一種鋁合金雙絲雙脈沖焊接電源系統，其特征在于，所述的 過流檢測模塊的傳感器連接在功率變壓模塊初級線圈上，傳感器與負載連接獲得電流采樣 信號，電壓信號直接從負載兩端取得。
7. 根據權利要求2所述的一種鋁合金雙絲雙脈沖焊接電源系統，其特征在于，所述的 高頻驅動模塊包括4個由光耦TLP250與外圍電路構成的高頻驅動單元，其中每個光耦的輸 入都與DSP控制器的輸出相連。
8. 根據權利要求2所述的一種鋁合金雙絲雙脈沖焊接電源系統，其特征在于，所述的 人機交互系統以一塊LM3S818作為控制核心，用RS232串行總線和GPIO腳與DSP控制電路 通信，包括電源及通訊接口模塊、數字編碼器輸入模塊、顯示及按鍵模塊、主控模塊，其中主 控模塊包括ARM和CPLD，進一步，所述的LM3S818與CPLD之間通過SPI單方向通信，并由 ARM向CPLD發送指令。
9. 根據權利要求2所述的一種鋁合金雙絲雙脈沖焊接電源系統，其特征在于，所述的 人機交互系統包括一人機交互控制系統。
10. 根據權利要求9所述的一種鋁合金雙絲雙脈沖焊接電源系統，其特征在于，所述的 人機交互系統控制系統采用MCU+CPLD的方式控制人機交互系統。
全文摘要
本發明公開了一種鋁合金雙絲雙脈沖焊接方法及其焊接電源，具體方法為脈沖波形在高頻的基礎上進行低頻調制，得到周期性變化的強弱脈沖群，通過兩路脈沖群的相位配合實現鋁合金的高效優質焊接。焊接電源包括一體化的IGBT軟開關主電路、DSP控制電路以及人機交互系統。本發明首次提出在雙絲焊機上實現雙脈沖鋁合金焊接，實現了全數字化控制，利用軟件模塊直接產生8路PWM信號，控制兩個主電路，減少了通信所帶來的控制上的問題。同時通過將兩個主電路集中于同一焊機中，使整體結構比主從式焊機大為減小，此外還采用了瞬時能量控制等方法實現雙脈沖的精細控制。
文檔編號B23K9/09GK101791733SQ20091019356
公開日2010年8月4日 申請日期2009年10月31日 優先權日2009年10月31日
發明者姚屏, 蒙萬俊, 薛家祥, 魏仲華 申請人:華南理工大學