co2焊接电源智能控制体系概述

《co2焊接电源智能控制体系概述》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、CO2焊接电源智能控制体系概述第1章绪论1.1研究背景CO2气体保护焊是用CO2作为保护气体，将电弧与熔池和周围的空气隔离开来，进而获得良好保护性能的一种焊接方法[1]。生产中一般是利用专用的焊枪，形成足够的CO2气体保护层，采用送丝机构将焊丝送入焊接区，依靠焊丝与焊件之间的电弧作为热源来加热熔化工件进行焊接的。CO2气体保护焊是我国重点推广的气体保护焊接工艺，具有高效率，低成本和抗锈低氢等特点。但是由于其自身特性，以及受到焊接电源和控制技术等因素的限制，焊接过程中存在金属飞溅量较大、焊缝成形差和

2、弧长波动等问题。焊接飞溅主要是在液桥爆断时产生的。短路阶段，通过大电流产生的电磁收缩力使液桥缩颈，当能量积聚到一定程度时，通过电爆炸实现熔滴过渡，同时伴随大量飞溅的产生；焊缝成形差是由于燃弧阶段，电流下降速度快，电流的平均值较小，电弧能量低，造成焊缝窄而高；弧长波动是指在焊接过程中，当手工操作导致焊枪高度出现扰动、工件表面出现凹凸时，导致弧长不稳定，影响焊接过程的稳定性和焊接质量[2]。围绕焊接过程中存在的问题，前人做了大量的研究工作，这些研究分为非电器研究和电器研究两大类。非电器研究主要从焊接材

3、料、保护气体这两个方面来进行研究，以降低飞溅。电器研究是从电源作用于电弧的电压及电流方面入手，设计焊接电源控制系统。1.2CO2焊接电源的发展早期电弧焊的弧焊电源是直流弧焊发电机，电动机带动弧焊发电机，电能转化为机械能，由机械能转化为电能。该电源效率低、控制特性差、质量重，现已基本淘汰此产品。可控硅出现后，便出现了可控硅式弧焊电源，此焊接电源工作原理是将三相交流电经工频变压器降压、可控硅整流电路进行整流，再经滤波电抗器滤波后输出，供焊接使用。可控硅是半控器件，在三相电网中，最小控制周期是3.3ms

4、，CO2熔滴短路过渡周期约为10ms，控制周期和短路过渡周期在一个数量级上，所以可控硅焊接电源无法对短路过渡过程做到精确控制，只能进行粗略式控制。同时可控硅焊接电源中变压器较笨重，其效率和功率因数都较低。上世纪七八十年代大功率半导体开关器件的产生，推动了高频逆变焊接电源的发展。高频逆变电源的工作原理是先将3相工频的交流电经桥式整流、滤波得到直流电。此直流电经功率开关管构成的逆变电路逆变为几十千赫兹的交流电，经变压器降压、整流得到直流电[2]。逆变弧焊电源与普通的弧焊电源相比，体积和重量大幅度减小，

5、节能高效，动特性好[2]。20KHZ的逆变频率，控制周期为50s，为短路过渡过程的精确控制奠定了基础。高频逆变式焊接电源是一种高性能、高效率的新型焊机电源，代表了当今CO2焊接电源的发展方向。传统的CO2焊接逆变电源的控制采用模拟电路，但是模拟电路结构复杂、灵活性差。随着功能强大的数字信号微处理器的出现，数字化逆变焊接电源开始问世。1998年，奥地利的Fronius公司推出了全球第一台全数字化焊接电源，它的核心部分是数字信号处理器(DSP)，由它集中处理所有的焊接数据，控制和检测整个焊接过程。数字

6、化弧焊电源有许多显著的特点，因此得到广大焊接工的重视，成为今后弧焊电源的发展方向[2]。第2章系统模型的建立2.1负载的模型如图2-1中所示为焊接系统示意图，(a)中为燃弧阶段，(b)中为短路阶段。在燃弧时，电弧热熔化焊丝，焊丝端部形成熔滴，熔滴不断长大，同时熔滴形状不断变化。由于焊丝以一定的速度送进，熔滴逐渐接近熔池，弧长变短，最后熔滴与熔池接触，进入短路阶段。金属的电阻率随温度的升高而变大。仿真时取常温(20oC)的电阻率会比实际情况的电阻率相差很多，从而使干伸长电阻的模型误差较大。焊接时，焊

7、丝的温度会达到上千摄氏度，此时的电阻率会比常温下的电阻率大很多。因此，仿真时需要用焊接时实际的电阻率。虚线曲线为短路阶段，实际测得的液桥电阻()edRt变化曲线示意图。液桥的电阻值呈现U形特征，两边电阻值大，中间电阻值小，基本不变化[48-49]。短路阶段液桥的形状变化，引起液桥电阻值变化：短路开始阶段，由于熔滴与熔池接触面积小，液桥电阻值较大；随着熔滴在熔池的逐渐铺展开来，液桥电阻值将变小；当完全铺展开来时，液桥电阻值基本不变化；缩颈发生后，液桥不断被压缩，横截面积不断变小，液桥电阻值急剧上升，

8、直至液桥的爆断[49]。此时对原曲线进行拟合，来建立液桥电阻edR随时间变化的模型。2.2系统主电路的模型逆变式弧焊电源主电路的电路图如图2-8所示。主电路的变化过程为：交流直流交流直流。主电路由单相或三相50Hz的工频交流电经整流、滤波成为较稳定的直流电；此稳定的直流电经电子功率开关构成的逆变电路变换为几十千赫兹的交流脉冲电；经中频变压器降压；经整流得到脉冲直流电压。回路中串联电感，对电流进行滤波，得到焊接所需要的电流波形[2]。逆变式弧焊电源中，通过电子功率开关的导通与关断，将