杭爭翔，王其俊，張景泉

（沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110178）

0 前言

直流脈沖MIG焊接技術(shù)是當(dāng)前焊接工程中應(yīng)用廣泛的高效焊接技術(shù)，研究發(fā)展直流脈沖MIG焊機(jī)是擴(kuò)大應(yīng)用這種焊接技術(shù)的基礎(chǔ)。近年來焊接行業(yè)非常重視直流脈沖MIG焊機(jī)的研究開發(fā)技術(shù)工作，致力于研發(fā)新型直流脈沖MIG焊機(jī)，其弧焊電源電力電路由晶閘管變流向IGBT變流發(fā)展，其控制核心由分立元器件控制向單片機(jī)控制發(fā)展，控制技術(shù)展現(xiàn)先進(jìn)性，正是如此，直流脈沖MIG焊接技術(shù)得到不斷發(fā)展及提高。

根據(jù)目前已發(fā)表文獻(xiàn)來看，關(guān)于MIG焊接技術(shù)及其控制技術(shù)有論文報道[1-6]，對熔化極電弧焊的引弧問題有論文報道[7-11]，但是對MIG焊的焊接程序控制，尤其是關(guān)于MIG焊的收弧及下次啟弧的控制技術(shù)還沒有介紹。其實(shí)這是個很重要的技術(shù)問題，收弧不好，下次啟弧的可靠性就不好，從而會影響焊接過程可靠性及焊接質(zhì)量。

介紹了自主研發(fā)的直流脈沖MIG焊機(jī)及其控制系統(tǒng)、直流脈沖MIG焊機(jī)焊接程序控制的兩步控制方式和四步控制方式；闡述了直流脈沖MIG焊機(jī)其焊接過程中的啟弧、焊接、添弧坑、收弧過程及其控制技術(shù)；介紹了收弧控制原理及控制參數(shù)選擇原則。

1 直流脈沖MIG焊機(jī)構(gòu)成和控制系統(tǒng)

圖1 脈沖MIG焊機(jī)系統(tǒng)基本原理

弧焊電源電力變流系統(tǒng)主要由接觸器KM、三相整流橋、濾波電容（C1、C2）、均壓電阻（R1、R2）、全橋逆變電路（由IGBT1～I(xiàn)GBT4構(gòu)成）、逆變變壓器、帶變壓器中心抽頭的整流電路（由VD1、VD2構(gòu)成）、濾波電感L、電流變換電路、電壓變換電路等構(gòu)成。三相380 V交流電經(jīng)接觸器KM送入三相整流橋整流，其整流輸出電壓經(jīng)濾波電容（C1、C2）濾波以后輸出540 V直流電壓，該電壓就是全橋逆變電路的直流電源。均壓電阻R1與C1并聯(lián)、R2與C2并聯(lián)，使得C1、C2上的電壓均等。全橋逆變電路逆變輸出的交流電輸入逆變變壓器，逆變變壓器降壓輸出的交流電經(jīng)整流電路整流及電感濾波，之后輸出到電弧負(fù)載?；『鸽娫摧敵龅碾娏鹘?jīng)電流變換電路獲得電流反饋信號Uif，輸出電壓經(jīng)電壓變換電路獲得電壓反饋信號Uuf。

焊機(jī)控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制系統(tǒng)、IGBT驅(qū)動電路、保護(hù)電路（IGBT過流及過熱保護(hù)）、PWM脈寬調(diào)制電路、焊接條件設(shè)定電路、焊接參數(shù)設(shè)定電路、顯示電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路A/D1及A/D2、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路D/A1及D/A2、啟動信號等構(gòu)成。

IGBT驅(qū)動電路由EXB841和外圍元器件構(gòu)成。當(dāng)IGBT運(yùn)行過程中出現(xiàn)過電流現(xiàn)象時，IGBT過電流保護(hù)電路在有效時間之內(nèi)發(fā)出信號，從而使IGBT被立即關(guān)斷，避免IGBT出現(xiàn)過流損壞，起到過流保護(hù)作用；當(dāng)IGBT運(yùn)行過程中出現(xiàn)過熱現(xiàn)象時，IGBT過熱保護(hù)電路發(fā)出信號，IGBT亦被立即關(guān)斷。

焊接條件設(shè)定包括設(shè)定焊絲直徑、兩步控制方式或四步控制方式。焊接參數(shù)設(shè)定包括設(shè)定焊接電流（即送絲速度）、焊接電壓。顯示電路顯示設(shè)定的焊接條件及焊接參數(shù)，并且顯示實(shí)際的焊接參數(shù)。

電流反饋信號Uif經(jīng)A/D1輸入單片機(jī)控制系統(tǒng)，電壓反饋信號Uuf經(jīng)A/D2輸入單片機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)控制系統(tǒng)輸出數(shù)字量，經(jīng)D/A1輸出模擬電壓Uc去控制PWM的脈沖寬度，單片機(jī)控制系統(tǒng)輸出數(shù)字量經(jīng)D/A2輸出模擬電壓去控制送絲速度。

焊槍啟動開關(guān)用于啟動或停止焊接過程。

2 送絲驅(qū)動系統(tǒng)和氣閥驅(qū)動電路

送絲驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動送絲電動機(jī)旋轉(zhuǎn)送絲，系統(tǒng)原理如圖2所示。送絲啟動信號WST為高電平時，開關(guān)電路工作于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)電路輸出電壓去驅(qū)動送絲電動機(jī)旋轉(zhuǎn)；此時制動控制電路輸出低電平，能耗制動電路工作于截止?fàn)顟B(tài)，此時沒有也不能有能耗制動功能。當(dāng)送絲啟動信號WST為低電平時，開關(guān)電路工作于截止?fàn)顟B(tài)，其無輸出電壓；此時制動控制電路輸出高電平，驅(qū)動能耗制動電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，送絲電動機(jī)能耗制動。設(shè)計能耗制動的主要作用是在停止焊接、收弧的瞬時，送絲電動機(jī)立即停止轉(zhuǎn)動、即立即停止送絲。

圖2 送絲驅(qū)動系統(tǒng)原理

送絲電動機(jī)的電樞電壓Ud由開關(guān)電路控制，通過閉環(huán)負(fù)反饋控制電樞電壓Ud。在D/A2輸出電壓Uwr一定的情況下，電樞電壓Ud反饋值若小于Uwr，則運(yùn)算放大器輸出的控制電壓Uwc增加，其控制脈寬調(diào)制電路，使其輸出的脈寬增加，在開關(guān)電路的開通周期時間內(nèi)，其開通時間增加將導(dǎo)致電樞電壓Ud增加，反之亦然。通過控制送絲電動機(jī)的電樞電壓就可以實(shí)現(xiàn)控制送絲速度穩(wěn)定，這樣構(gòu)成送絲速度半閉環(huán)控制系統(tǒng)。

海爾風(fēng)幕8°油煙機(jī)搭載上量子級直流變頻電機(jī)——FPA（斐雪派克）電機(jī)，直接驅(qū)動煙機(jī)，精準(zhǔn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)煙機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓的無極變頻，給煙機(jī)提供澎湃動力的同時，避開了普通交流電機(jī)高速（1000轉(zhuǎn)/分鐘）旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生的共振，所以會格外平穩(wěn)安靜。同時，海爾廚電還整合了FPA（斐雪派克）電機(jī)，采用整機(jī)BMC塑封技術(shù)，成就行業(yè)更低風(fēng)噪比，給用戶帶來全新的吸油煙機(jī)使用體驗。

D/A2的輸出電壓Uwr增加，送絲速度增加，反之亦然，所以通過調(diào)節(jié)Uwr可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)送絲速度。

氣閥驅(qū)動電路為電磁氣閥提供直流24 V的驅(qū)動電壓。當(dāng)單片機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)字信號為高電平時，經(jīng)氣閥驅(qū)動電路輸出直流24 V電壓，驅(qū)動電磁氣閥動作，氣路被開通，焊接保護(hù)氣體送到電弧區(qū)域；當(dāng)單片機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)字信號為低電平時，經(jīng)氣閥驅(qū)動電路輸出的電壓為零，電磁氣閥復(fù)位，焊接保護(hù)氣路被關(guān)斷。

3 焊接過程和啟弧、收弧過程控制

直流脈沖MIG焊機(jī)的焊接程序控制可以采用兩步控制方式，也可以采用四步控制方式。兩步控制方式和四步控制方式是依據(jù)焊接啟動開關(guān)的動作次數(shù)來命名。

直流脈沖MIG焊機(jī)的兩步程序控制時序如圖3所示。圖3a是啟動開關(guān)（半自動焊時，啟動開關(guān)安裝在焊槍的把手上；自動焊時，啟動開關(guān)安裝在控制操作面板上）的動作時序，“ON”時刻合上啟動開關(guān)，將啟動焊接過程，而且在焊接過程中要保持啟動開關(guān)的閉合狀態(tài)；“OFF”時刻打開啟動開關(guān)，將停止焊接。從中可以看出，啟動開關(guān)合上——開始焊接，啟動開關(guān)關(guān)斷——停止焊接，焊接過程是由啟動開關(guān)的兩個動作進(jìn)行控制的，所以稱為兩步控制方式。根據(jù)啟動開關(guān)的控制動作，控制系統(tǒng)按照圖3b～圖3e的時序分別控制送保護(hù)氣（見圖3b）、送焊絲（見圖3c）、弧焊電源輸出電壓（見圖3d）和弧焊電源輸出電流（見圖3e）。

圖3 熔化極氬弧焊兩步控制時序

圖3b中送保護(hù)氣時間區(qū)間為t1～t5，t1為提前送氣時間，t5為滯后停氣時間。圖3c中時間t2為啟弧慢送絲時間，在此時間區(qū)間焊絲沒有接觸到工件，弧焊電源輸出空載電壓，慢送絲預(yù)備啟弧；因為還沒有啟弧，弧焊電源輸出電流為零。當(dāng)焊絲接觸到工件時，短路引燃電弧，引燃電弧后送絲速度平穩(wěn)上升到正常焊接的送絲速度，焊接電流上升到正常焊接電流值，正常焊接時間為t3。

在t3完結(jié)束時刻，即在打開啟動開關(guān)瞬時立即停止送絲，即要求送絲控制系統(tǒng)將送絲電動機(jī)轉(zhuǎn)速立即降到零。在此之后、熄弧之前的很短的t4時間稱為收弧時間。在此時間區(qū)間，弧焊電源輸出電壓和電流使從焊槍導(dǎo)電嘴送出的焊絲被回?zé)?，使收弧之后從焊槍?dǎo)電嘴送出的焊絲長度適中；其次，在熄弧之前的1.5～3 ms區(qū)間，弧焊電源輸出電流要大于該焊絲射滴過渡的臨界電流，由此控制快速過渡一個熔滴，形成該熔滴過渡的瞬時立即熄弧，這樣使熄弧之后的焊絲端頭不留下較大的金屬熔球，熄弧之后的焊絲端頭直徑基于等于焊絲直徑；采用這樣的過程控制是為了下次啟弧的可靠性和啟弧質(zhì)量。

由圖3可知，焊接過程中有五個時間參數(shù)t1、t2、t3、t4、t5，以及其中的送絲速度、弧焊電源輸出電壓及電流等參數(shù)。t2時間段有啟弧慢送絲速度，啟弧之后的正常焊接時間t3時間段有焊接電流和焊接電壓，收弧過程中有收弧時間t4和其中的電壓及電流。

焊機(jī)操作面板上的調(diào)節(jié)參數(shù)有焊接電流和焊接電壓兩個參數(shù)。從控制角度來講，調(diào)節(jié)焊接電流，是通過調(diào)節(jié)圖3c中t3時間段的送絲速度來調(diào)節(jié)焊接電流，送絲速度決定焊接電流，弧焊電源輸出焊接電流的時序如圖3e所示。焊接電壓就是圖3d中的t3時間段的弧焊電源輸出電壓。

除焊機(jī)操作面板上的調(diào)節(jié)參數(shù)（焊接電流和焊接電壓兩個參數(shù)）外，焊接過程中的其余參數(shù)（包括啟弧慢送絲速度、收弧時間t4及其中電壓及電流等）是沒有在焊機(jī)操作面板上設(shè)計調(diào)節(jié)功能的，這些參數(shù)設(shè)計固化在控制系統(tǒng)中。

直流脈沖MIG焊機(jī)的四步控制時序如圖4所示。圖4a是啟動開關(guān)的動作時序，當(dāng)啟動開關(guān)第一次閉合（第一個“ON”）時，啟動焊接過程；當(dāng)焊接電弧穩(wěn)定燃燒之后，就可以打開啟動開關(guān)（第一個“OFF”），此后保持電弧繼續(xù)燃燒狀態(tài)即繼續(xù)進(jìn)行焊接；當(dāng)再次按下啟動開關(guān)（第二個“ON”）時，自動降低送絲速度，降低焊接電壓及焊接電流，進(jìn)行填弧坑，此時的焊接電壓、焊接電流稱作填弧坑電壓、填弧坑電流；其時間區(qū)間稱作填弧坑時間；當(dāng)弧坑填滿之后打開啟動開關(guān)（第二個“OFF”），之后回?zé)附z端、收弧、停止焊接。在此焊接過程中，由焊槍啟動開關(guān)的四個動作來進(jìn)行控制，所以稱為四步控制方式。

控制系統(tǒng)根據(jù)啟動開關(guān)的動作，按照圖4b～圖4e的時序分別控制送保護(hù)氣（圖4b的t1～t6區(qū)間）、送焊絲（圖4c的t2～t5區(qū)間）、弧焊電源輸出電壓（圖4d的 t2～t5區(qū)間）和弧焊電源輸出電流（圖 4e的t3～t5區(qū)間）。

由上述可知，兩步控制方式?jīng)]有填弧坑的過程，四步控制方式有填弧坑過程。實(shí)際焊接時根據(jù)焊接工藝需要來選擇使用兩步控制方式還是四步控制方式，在焊機(jī)操作面板上可以選擇。

圖4 熔化極氬弧焊四步控制時序

由圖4可知，焊接過程中的參數(shù)有六個時間參數(shù) t1、t2、t3、t4、t5、t6，以及送絲速度、弧焊電源輸出電壓及電流等參數(shù)。t2時間段有啟弧慢送絲速度，啟弧之后的正常焊接區(qū)間t3時間段內(nèi)有焊接電流及焊接電壓。填弧坑時間段t4區(qū)間有填弧坑電流及電壓。收弧過程中有收弧時間t5和其中的電壓及電流，收弧控制過程與兩步方式下的收弧控制過程相同。

焊機(jī)操作面板上的調(diào)節(jié)參數(shù)有焊接電流和焊接電壓、填弧坑電流及電壓等四個參數(shù)。通常填弧坑電流小于焊接電流、填弧坑電壓小于焊接電壓。焊接過程中的其余參數(shù)設(shè)計固化在控制系統(tǒng)中。

4 直流脈沖MIG焊機(jī)的焊接試驗

應(yīng)用自主開發(fā)設(shè)計的直流脈沖MIG焊機(jī)進(jìn)行了焊接性能試驗，圖5為焊接鋁合金板對接焊縫的照片。大量的焊接試驗表明，焊機(jī)的性能達(dá)到了良好的焊接效果。

圖5 脈沖MIG焊機(jī)焊接鋁合金板對接焊縫

5 結(jié)論

（1）直流脈沖MIG焊機(jī)其弧焊電源電力電路采用IGBT逆變控制技術(shù)，焊機(jī)控制系統(tǒng)包括單片機(jī)控制系統(tǒng)、送絲控制系統(tǒng)、IGBT驅(qū)動電路及保護(hù)電路等。焊機(jī)達(dá)到預(yù)期性能。

（2）直流脈沖MIG焊機(jī)其焊接過程可以選用兩步控制方式或四步控制方式。直流脈沖MIG焊其收弧過程控制技術(shù)是可行的，達(dá)到了良好的收弧效果及下次啟弧的可靠性。

（3）焊接鋁合金試驗表面，啟弧可靠，焊接過程穩(wěn)定，得到了良好的焊接質(zhì)量。

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