楊凱 曹彪 劉瀚波

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州510640)

微電弧焊接(MAW)是在傳統(tǒng)的鎢極氬弧焊(TIG)方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，利用電極與工件之間能量可控的微電弧作焊接熱源，并通以惰性氣體對(duì)電極、電弧及熔池進(jìn)行保護(hù)的熔焊方法. MAW 具有輸出波形控制精度高、電弧穩(wěn)定性高、焊接能量精細(xì)可控、焊接質(zhì)量?jī)?yōu)異、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、電子、機(jī)械、光電、醫(yī)療器械等行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景［1］.近年來(lái)，隨著器件設(shè)備的微型化、生產(chǎn)工藝的綠色化，工件對(duì)焊接過(guò)程的焊接能量及電弧的穩(wěn)定性都提出了更高的要求［2-6］. 采用傳統(tǒng)的TIG 焊接工藝已難以滿足其焊接需求，因此微電弧焊接的應(yīng)用日益廣泛.

微電弧焊接過(guò)程中電流通常較小(小于50 A)，其焊接電弧能量及穩(wěn)定性直接取決于焊接電源. 目前，微電弧焊接電源多采用基于場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)的逆變式主電路拓?fù)洌刂葡到y(tǒng)則采用全數(shù)字化控制技術(shù)［6-8］. 隨著逆變技術(shù)及數(shù)字化控制技術(shù)的進(jìn)步，微電弧焊接電源性能也得到了長(zhǎng)足進(jìn)步.目前，國(guó)外相關(guān)電源設(shè)備已實(shí)現(xiàn)5 A 以下電弧的穩(wěn)定燃燒，且已產(chǎn)業(yè)化［6］.國(guó)內(nèi)相關(guān)研究多集中于高校、研究所，由于受小電流起弧不穩(wěn)定及電源輸出能量一致性較差等缺點(diǎn)的限制，國(guó)內(nèi)相關(guān)電源設(shè)備還未形成產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，高端微電弧電源設(shè)備市場(chǎng)多被歐美、日本等國(guó)占據(jù). 因此，設(shè)計(jì)一種精密微電弧焊接電源關(guān)鍵在于提高小電流的起弧成功率及保證電弧能量精密輸出的穩(wěn)定性.

文中基于實(shí)際的工藝要求，分析了電弧負(fù)載的電特性，介紹了焊接過(guò)程的電流波形控制方案，比較了直流和脈沖兩種波形方案的優(yōu)缺點(diǎn). 并設(shè)計(jì)了一種基于MOSFET 的逆變式精密微電弧焊接電源和以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為控制核心的高性能控制系統(tǒng)，闡述了電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理，介紹了有限雙極性軟開(kāi)關(guān)控制方式的主要波形，提出了一種積分分離PID 控制算法. 同時(shí)分析了不同輸出模式下，電源負(fù)載的靜特性及脈沖動(dòng)態(tài)特性，測(cè)試了電源在較小電流輸出時(shí)的穩(wěn)定性和精確性. 并對(duì)細(xì)線與端柱以及多股漆包線線端進(jìn)行了焊接，以檢驗(yàn)電源的負(fù)載適應(yīng)性.

1 電弧負(fù)載特性及其波形控制方案

1.1 電弧負(fù)載特性分析

電源負(fù)載的電特性對(duì)電源的設(shè)計(jì)非常重要，因此，很有必要對(duì)電源的負(fù)載進(jìn)行分析.焊接電弧是一種在具有一定電壓的兩電極之間的氣體介質(zhì)中所產(chǎn)生的自持放電現(xiàn)象［9］，其電特性包括靜特性和動(dòng)特性.直流TIG 電弧的靜特性曲線如圖1(a)所示［10］，由于焊接電弧的非線性特征，當(dāng)焊接電流在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，靜特性曲線呈現(xiàn)U 型形狀，包含了下降特性、平特性和上升特性.脈沖TIG 電弧的動(dòng)特性曲線如圖1(b)所示［10］，由于電弧的熱慣性，導(dǎo)致電弧動(dòng)態(tài)特性曲線呈回線特征. 當(dāng)焊接電流為脈沖電流時(shí)，電弧呈現(xiàn)為感性負(fù)載.圖中，lc為電極間距，U為電弧電壓，I 為電弧電流.

圖1 TIG 焊接電弧的電特性曲線［10］Fig.1 Electrical characteristic curves of TIG welding arc［10］

為滿足MAW 工藝要求，具備良好的負(fù)載適應(yīng)性，應(yīng)考慮電源外特性、電源調(diào)節(jié)性能和電源動(dòng)特性3 方面的要求. MAW 過(guò)程中由于電流值較小，電弧靜特性主要工作在水平段，電源外特性應(yīng)為下降特性或恒流特性.脈沖電流作用下，電弧負(fù)載變化劇烈，如何控制電流變化率、峰值及基值電流、穩(wěn)態(tài)恢復(fù)時(shí)間來(lái)提高電源的動(dòng)態(tài)性能，都是需要考慮的.

1.2 微電弧波形控制方案

電源采用與TIG 焊電源相類似的波形控制方案，輸出的工藝時(shí)序控制如圖2 所示，包含了提前送氣(t1)，引弧、穩(wěn)弧(t2)，緩升(t3)，焊接(t4)，緩降(t5)，收弧(t6)和后通氣(t7)等過(guò)程［11］.

圖2 輸出電流波形示意圖Fig.2 Schematic diagram of output current waveform

采用圖2(a)所示的直流工藝時(shí)，熔池中殘存的保護(hù)氣體會(huì)使熔池部位產(chǎn)生氣孔以及皺紋等缺陷.圖2(b)所示的脈沖電流的控制技術(shù)保持了直流工藝過(guò)程的時(shí)序，將直流波形調(diào)整為脈沖方波，圖中I1、I2、I3為不同階段的脈沖電流幅值，Ib為脈沖電流基值.焊接時(shí)，利用可控的脈沖電流幅值加熱工件，以較小的電流基值Ib來(lái)維持電弧燃燒.通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖頻率、占空比、脈沖電流基值、脈沖電流幅值，可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接熱輸入的控制，從而控制熔池及熱影響區(qū)的尺寸及質(zhì)量.

2 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

圖3 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure diagram of power supply system

基于以上分析，設(shè)計(jì)了如圖3 所示的電源系統(tǒng).系統(tǒng)主要由主電路和控制部分組成，主電路采用脈寬調(diào)制(PWM)全橋逆變拓?fù)洌ㄝ斎胝鳛V波電路、全橋逆變電路、高頻變壓器、次級(jí)輸出整流濾波電路和高頻引弧電路等部分;控制系統(tǒng)以DSP 控制器為核心，包括信號(hào)采樣電路、通信模塊電路及人機(jī)接口電路等，其中控制器產(chǎn)生的PWM 信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后用于控制全橋逆變電路的開(kāi)通與關(guān)斷.

電源的工作原理為:電網(wǎng)電壓(220 V)整流后經(jīng)LC 濾波為直流電壓，通過(guò)由MOSFET Q1-Q4構(gòu)成的全橋逆變電路轉(zhuǎn)換成高頻(100 kHz)交流方波脈沖電壓，經(jīng)高頻變壓器T1降壓后接入次級(jí)整流濾波電路，之后輸出直流或直流脈沖波形到負(fù)載端.電源采用高頻高壓引弧，將電源空載電壓經(jīng)引弧板后產(chǎn)生高頻高壓信號(hào)，通過(guò)耦合電感T2耦合到主電路輸出端，在鎢極與工件之間產(chǎn)生高頻高壓擊穿保護(hù)氣放電，引燃電弧. 起弧后關(guān)斷引弧電路，通過(guò)調(diào)整PWM 信號(hào)的占空比調(diào)節(jié)輸出電壓或電流，以保證電弧的穩(wěn)定燃燒.電源采用電流控制模式，工作過(guò)程中對(duì)負(fù)載端電壓和電流信號(hào)進(jìn)行采樣調(diào)理后反饋至DSP，DSP 通過(guò)比較采樣反饋值與給定值產(chǎn)生偏差，經(jīng)PID 運(yùn)算后實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM 信號(hào)占空比補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的控制.同時(shí)，還對(duì)電網(wǎng)電壓和功率器件的運(yùn)行溫度等信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，以保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠.

電源主要輸出參數(shù)如下:空載電壓56 V，電流調(diào)節(jié)范圍5 ～50 A，最小電流分辨率0.1 A，各電流輸出階段時(shí)間范圍0 ～1000ms，最小時(shí)間分辨率0.1ms，脈沖頻率范圍1 ～500 Hz，占空比范圍為10% ～90%.

2.2 系統(tǒng)軟件及控制方法

為實(shí)現(xiàn)圖2 所示的電流波形曲線，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件流程如圖4 所示.主要包含引弧子程序、焊接子程序和收弧子程序等，實(shí)際焊接過(guò)程中系統(tǒng)會(huì)響應(yīng)操作者的需求執(zhí)行或跳過(guò)相應(yīng)的子程序.

2.2.1 全橋逆變器的控制方法

全橋逆變電路采用有限雙極性控制方法，其主要波形如圖5 所示，具體的電路工作模態(tài)分析見(jiàn)文獻(xiàn)［12-13］. 驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ug1- Ug4分別驅(qū)動(dòng)MOSFET Q1-Q4，Ug1和Ug2為脈寬可調(diào)的定頻、變寬脈沖，Ug3和Ug4為頻率、脈寬固定的互補(bǔ)脈沖;Upri和Ipri分別為變壓器初級(jí)電壓和電流. 通過(guò)有限雙極性控制方式，使得MOSFET 工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，減小了高頻開(kāi)關(guān)損耗.

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 Flow chart of system software

圖5 有限雙極性控制方式下逆變橋的主要波形Fig.5 Main waveforms of inverter bridge in limited bipolar control mode

2.2.2 積分分離PID 控制算法

電弧放電過(guò)程產(chǎn)生的高頻干擾嚴(yán)重影響電流信號(hào)采樣，而PID 控制中的微分環(huán)節(jié)對(duì)噪聲比較敏感，易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此常采用PI 控制 . 但若僅使用傳統(tǒng)的增量式PI 控制，在電弧擊穿階段及脈沖輸出時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有較大偏差，會(huì)造成PI 運(yùn)算的積分積累，致使計(jì)算得到的控制量超過(guò)調(diào)制脈沖的極限，造成較大的系統(tǒng)超調(diào)或產(chǎn)生振蕩［16］.在小電流電弧燃燒時(shí)，容易造成引弧失敗、斷弧和燃燒不穩(wěn)定等現(xiàn)象.因此，應(yīng)適當(dāng)?shù)卦黾游⒎挚刂骗h(huán)節(jié)以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能. 系統(tǒng)采用積分分離PID 控制算法，既保持了積分作用，又減小了超調(diào)量，使得控制性能有較大的改善.其控制算法程序框圖如圖6 所示，圖中u(k)為調(diào)整后的控制量，g(k)為控制量補(bǔ)償值，umax為控制量上限值，umin為控制量下限值，ε 為偏差值的邊界值.

圖6 積分分離PID 控制算法程序框圖Fig.6 Program chart of integral separation PID control algorithm

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 輸出波形分析

采用自制的微電弧焊接電源對(duì)黃銅柱子(1mm×2 mm)進(jìn)行焊接，以氬氣為保護(hù)氣體，氣流量設(shè)為5 L/min，鎢針直徑為1.6 mm，電極間距保持為3 mm.設(shè)置不同的輸出波形參數(shù)，對(duì)電源輸出的電壓和電流波形曲線(見(jiàn)圖7)進(jìn)行分析.

圖7 電源輸出波形Fig.7 Output waveforms of power suppl y

圖7(a)和7(b)分別為直流模式下的三段式和單段式輸出波形，電流波形穩(wěn)定，紋波抖動(dòng)小，電流變化平緩，控制精度高. 起弧瞬間電流上升率較高，通過(guò)積分分離PID 控制算法抑制了電流過(guò)沖及振蕩，縮短了調(diào)整時(shí)間，使得引弧順暢、電弧柔順.引弧成功后維持小電流一段時(shí)間對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱處理，隨后緩升至焊接電流對(duì)工件進(jìn)行焊接. 焊接完成后電流緩降至電弧熄滅，避免因電流和電壓抖動(dòng)造成較大的弧坑.啟動(dòng)后，電壓維持空載電壓一段時(shí)間，起弧后電壓遵循最小電壓原理降至最小電壓. 圖7(a)對(duì)應(yīng)的電壓-電流曲線如圖8(a)所示，直流模式下電弧處于穩(wěn)態(tài)，弧長(zhǎng)保持不變，電弧靜特性工作在水平段，輸出電壓隨輸出電流的增加而稍有下降，呈現(xiàn)下降特性.

圖8 輸出波形電壓-電流曲線Fig.8 Voltage-current curves of output waveforms

圖7(c)和7(d)分別為三段式和單段式脈沖輸出波形，脈沖頻率分別為250 和100 Hz，脈寬比為0.5.圖中脈沖電流基值及幅值波形都較平穩(wěn)，負(fù)載切換時(shí)波形響應(yīng)速度較快，電流尖峰及振蕩現(xiàn)象抑制較好.與直流模式相比，脈沖模式下電弧聲音更尖銳，脈沖頻率越高，聲音越尖銳. 電壓曲線與直流模式下較為相似，在脈沖基值與幅值切換時(shí)存在小范圍的脈動(dòng).圖7(c)中不同階段脈沖(脈沖1、脈沖2、脈沖3)波形對(duì)應(yīng)的電壓-電流曲線如圖8(b)所示，在焊接電流增大的過(guò)程中，由于焊接電弧此前處于相對(duì)低的溫度狀態(tài)，電流的增加需要有較強(qiáng)的電場(chǎng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此表現(xiàn)出電弧電壓有一定程度的增加;在焊接電流減小的過(guò)程中，由于焊接電流此前處于較高的溫度狀態(tài)，電弧的熱慣性不能立即對(duì)電流減小做出反應(yīng)，電弧中仍然有較多游離的帶電粒子，電弧導(dǎo)電性仍然很強(qiáng)，電弧電壓處于相對(duì)低的水平，使得脈沖電弧的動(dòng)特性曲線呈回線特征. 在弧長(zhǎng)不變的情況下，脈沖幅值越大，其回線越長(zhǎng);脈沖電流變化率越快，回線包圍的面積越大.

3.2 波形一致性分析

設(shè)置電源輸出為如圖9(a)所示的單個(gè)脈沖，脈沖持續(xù)時(shí)間為50 ms，基值電流為0 A，幅值電流不等.在其他條件相同的情況下，于幅值電流為9.5、18、36 A 時(shí)分別連續(xù)重復(fù)試驗(yàn)35 次，對(duì)每次試驗(yàn)的電壓和電流數(shù)據(jù)濾波后進(jìn)行有效值處理［17］，比較、分析輸出波形的一致性.

有效值處理后的電流值如圖9(b)所示，電流值的誤差曲線如圖9(c)所示，輸出電流值與設(shè)定值基本相同，電流控制精度在±3%以內(nèi). 目前報(bào)道的相關(guān)電源的電流控制精度一般為±5%左右［6］，相比而言研制的電源在電流控制精度方面有一定程度的提升.根據(jù)式(1)，計(jì)算出單個(gè)脈沖的能量，如圖9(d)所示，輸出電流相同時(shí)，輸出脈沖能量值基本相同，偏差率較小;大電流輸出時(shí)，脈沖能量值更大，偏差率變化不大.通過(guò)對(duì)脈沖電流值及脈沖作用時(shí)間等參數(shù)的精確控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出能量Q的精密控制，保證焊接一致性.

圖9 輸出波形一致性曲線Fig.9 Consistency curves of output waveforms

3.3 焊接效果分析

為檢驗(yàn)電源的負(fù)載適應(yīng)性，采用表1 中參數(shù)組1所示的工藝參數(shù)，對(duì)直徑為0.03 mm 的細(xì)線與寬度為0.8 mm 的方形端柱進(jìn)行焊接，焊接效果如圖10(a)所示.細(xì)線與端柱結(jié)合部燒結(jié)成一個(gè)均勻光滑的圓球形成緊密連接，未出現(xiàn)細(xì)線由于熱脆性而斷裂的現(xiàn)象.采用表1 中參數(shù)組2 所示的工藝參數(shù)，對(duì)由3 根直徑同為0.85 mm 的漆包線組成的線端進(jìn)行焊接，形成的焊接接頭如圖10(b)所示，燒結(jié)而成的圓球未出現(xiàn)裂紋及氣孔等缺陷.

表1 焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding process parameters

圖10 實(shí)際焊接接頭效果圖Fig.10 Actual pictures of welded joints

4 結(jié)論

文中針對(duì)TIG 焊接過(guò)程中電流控制精度低和小電流穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種精密微電弧焊接逆變電源;通過(guò)對(duì)MAW 過(guò)程電氣特性及焊接工藝的分析，主要結(jié)論如下:

(1)采用有限雙極性控制方法，可實(shí)現(xiàn)全橋逆變器的軟開(kāi)關(guān);設(shè)計(jì)的基于DSP 的控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)微電弧參數(shù)的精確控制;電源輸出波形穩(wěn)定，能量控制精細(xì)，焊接一致性好.

(2)采用積分分離PID 控制算法可有效抑制引弧時(shí)電流過(guò)沖及振蕩，縮短了引弧時(shí)間，提高了引弧成功率，提高了小電流電弧燃燒的穩(wěn)定性.

(3)研制的微電弧點(diǎn)焊電源特別適合線與線以及線與端子的焊接，尤其是在微型精密零件的焊接方面有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì).

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