逆变焊机及数字化控制技术

Key words：invert welder；digital control；low spatter；high speed of welding；equal penetration
0 前言
随着电力电子技术的发展，焊接电源经历了变 压器抽头式硅整流焊机、磁放大式整流焊机、晶闸 管整流焊机、逆变焊机等几个阶段。逆变焊机自 20 世纪 80 年代出现后，由于其高效节能、轻巧省料和 控制性能好等特点成为国内外研究开发的方向。随 着单片机、DSP 控制技术的发展，焊机的控制已从 模拟控制转向数字化控制。
与单丝 MIG／MAG 焊相比，双丝焊具有更高的焊接 速度、很小的热影响区、低飞溅、低气孔率、高适应性。 2．2．2 单丝高速数字化气保焊
图 7 脉冲电流相位相差 180°
高速焊接场合要求焊接速度快、工作效率高； 焊缝成形美观、熔透性好；焊机动态响应快，电弧适 应性好、飞溅小。通过优化焊机动态控制参数，改善 电弧短路过渡控制，使奥太的产品完全满足了集装 箱行业高焊速、高响应、高效率的要求。
图 2 全数字化焊机框图
数字化控制与模拟系统控制相比具有以下优 点：(1)数字化控制使焊接电源具有更好的灵活性。模 ·18· Electric Welding Machine
拟系统的配置和增益是由阻容网络硬件决定的，因 此一旦确定就很难改变；而在数字化控制系统中，只 要改变软件，就很容易实现柔性控制。(2)数字化控 制使焊接电源具有更好的稳定性。模拟控制系统由 电阻、电容等分立元件组成，而模拟元件的参数一 般都存在一定精度和温度漂移。(3)数字化控制使焊 接电源可以存储成功的经验数据，便于操作。专家系 统是将众多成功的焊接规范以数据库的形式存储 到计算机中，每一条数据都包含诸多信息，如焊接 方法、母材、板厚、送丝速度、焊接电流、焊接电压 等。当操作者输入某几项参数后就可以查询到最佳 的焊接规范。
奥太 Pulse MIG－500FR 数字管道多功能焊机 采用软件和硬件相结合的方式，准确检测熔滴过渡 时刻，使得检测正确率达到 99％；缩颈发生时迅速 降低电流，这样才能使熔滴过渡平稳，有效减小焊 接缺陷；内置专家数据库，实现一元化调节，缩短参 数调节时间[1]。采用金属粉芯焊丝时的焊接电流、电 压波形和西二线焊缝成形如图 3 所示。
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专题讨论
2．2．1 协同控制的双丝脉冲 MIG／MAG 焊 为提高 MIG／MAG 焊接的效率，降低生产成本，
出现了双丝焊方法。双丝焊由两个脉冲电源供电，通 过两个送丝机送丝和一个焊枪喷嘴送出两根焊丝， 而两个导电嘴之间是绝缘的。焊接过程中两根焊丝 分别与工件产生电弧，由于两根丝的距离较近，在工 件上形成一个公共的熔池，双丝焊设备如图 6 所示。
数字化控制系统由于控制精度和灵活性的提 高，实现了对熔滴过渡的精细控制，解决了模拟控 制系统进行复杂处理时能力有限、灵活性不高的问 题。数字化焊机目前的状况是以低档数字化产品为
收 稿 日 期 ：2012－05－17 作 者 简 介：张光先(1965—)，男，副教授，博士，主要从事逆变弧
焊电源的开发与应用。
2．1 低飞溅
管线钢焊接工艺中，根焊是最重要环节，根焊 的好坏直接决定了整个焊口的焊接质量。根焊要求 电弧短、穿透力强、熔池稳定，飞溅小，可实现全位 置焊接。
数字控制的逆变焊机系统中，控制电路部分由 单片机(MCU)和数字信号处理器(DSP)构成双机控 制系统，实现熔滴过渡各阶段电流波形的控制精细。 焊接性能的控制核心部件为 DSP，焊接电压、电流 信号经过 A／D 转换成数字信号，数字信号处理器软 件实现灵活、精细的焊接性能控制。
Abstract：Invert welder has obvious advantages in the aspects of efficiency，volume，quality and control performance，and has become
the main product in welding processing industry．Digital invert welder is basic equipment for digital welding，compared with traditional simulated welder，it has been greatly improved in the aspects of output current waveform control，integrated various welding methods and characteristics，realizing welding performance of various materials，and technological adaptability．It makes automatic welding management system become possible，such as flexibility，networking and intelligence of welder control．This paper comprehensively analyses the current situation and development trend of digital invert welder，and its successful cases in welding technology， production management and suited robot based on above advantages．
与普通气保焊相比，该工艺具有电弧穿透力强、 热输入低，飞溅小的优点；焊工操作性强，全位置焊 接时电弧形态均匀、一致；1 点～2 点位置背面熔池
专题讨论
张光先等：逆变焊机及数字化控制技术
第6期
图 3 焊接电流电压波形和焊缝成形
不易下垂；4 点～6 点位置背面焊缝不易内凹。与纤维 素焊条下向焊相比，FR 快速根焊具有以下优点：飞溅 极小，焊接烟尘少，噪声小；精确的热输入控制可以 减少焊接变形和烧穿；焊接成本较低；焊接速度快， 焊接效率高；焊后不需清渣，节省了层间清理时间。
主，如手弧焊、TIG 焊机。高档数字化产品不仅实现 了焊机电流电压等参数的给定、显示、存储，更重要 的是表现在对焊接性能的提升，焊接工艺适应性的 扩展等方面。
目前，只有少数科研工作者和焊机厂家在此方 面不懈努力，基本掌握高档数字化产品技术，推出 了相应产品。高档数字化产品的市场占有率还不 高，还有一些要求较高的焊接工艺急需解决。如集 装箱行业需求高速焊、低飞溅；管道打底焊接的根 焊技术；长焊缝对接焊要求低热输入和减小变形而 产生了双丝 MIG 焊等。
1 典型数字化控制系统
数字化逆变焊机的发展分两个阶段： (1)第一阶段。以 80C51 或 80C196 为代表的单 片机控制弧焊电源基本上属于数字化焊机开创时 期的产品。在这种系统中，单片机主要完成控制信 号的给定功能以及焊机的总体管理[2]，如图 1 所示。 因单片机的数字运算能力较弱使得电源系统仍然 要借助于较多的模拟电路环节。因此，该系统大多 用于功能单一的各种焊机，如手弧焊机、直流 TIG 焊机、直流脉冲焊机和熔化极脉冲焊机等。
逆变焊机是实现数字化焊接的基础设备，与传统模拟焊机相比，在输出电流波形控制、集成多种焊接方 法及特性、实现多种材料的焊接性能、工艺适应性方面有很大的提升，使得焊机控制的柔性化、网络化
和智能化等自动化焊接管理系统成为可能。在此综合分析了数字化逆变焊机的现状及发展趋势，以及基
于上述优点在焊接工艺、生产管理、配套机器人等方面取得的成功案例。
第 42 卷 第 6 期 2012 年 6 月
Electric Welding Machine
逆变焊机及数字化控制技术
Vol．42 No．6 Jun．2012
张光先，李 朋
(山东奥太电气有限公司，山东 济南 250101)
摘要：逆变焊机在效率、体积、质量、控制性能方面具有明显优势，已成为焊接加工业的主流产品。数字化
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第 42 卷
图 6 双丝焊设备
为了保证双电弧都能稳定燃烧，减小相互间的 干扰，两个电弧均为脉冲电弧。两个电源的脉冲电 流的相位差为 180°，可最大限度降低两个电弧间 的干扰，如图 7 所示。两个焊丝的角度和焊丝间距 对焊缝成形都有较大影响，现在已有商业化的双丝 焊枪 。具 体 控 制 实 现 时 ，两个 焊 接 电 源 采 用 主 从 模式，一个焊机作为主机，采用协同脉冲控制，脉冲 电流的频率根据本身电弧进行反馈，并输出同步信 号给从机，从机按照此频率工作。
例如在川气东送管线上地面集输工程(见图 4、 图 5)的应用。焊接工艺为：半自动金属粉芯根焊＋ 金 属 粉 芯 脉 冲 热 焊 ＋ 焊 条 电 弧 焊 填 充 、盖 面 ；管 材 材质为 L360MCS，规格 508 mm×22．2 mm；根焊采用 METALLOY 71 金属粉芯焊丝，直径为 1．2 mm；保护 气体为 φ(Ar)80％＋φ(CO2)20％混合气；坡口形式为 复合 V 型对接，无钝边，间隙 3～4 mm。
基于数字化焊机的总线接口可实现与复杂焊 接专机、焊接机器人的柔性连接，焊机内部的焊接 工艺数据库可通过总线被设定，更适合具体的焊 接需求。数字化焊机可作为局域网的终端，成为数
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专题讨论
第 42 卷
字化车间的一部分，管理者通过网络管理终端的界 面实现对焊接过程、质量一致性、生产成本的统计 分析。
2 焊接工艺的提升
数字化焊接电源可以实现焊接电压、电流波形 在线快速检测并计算短路过渡特征参数，进行自适 应最优控制，用现代控制理论算法将特征参数和焊 接规范始终调整于最佳范围内，使焊接电弧处于稳 定、动态性能最佳的工作状态。对短路过渡、脉冲过 渡、射流过渡的电流和电压进行精确控制，以达到 进一步减小焊接飞溅、改善焊接性能及焊接质量的 目的。
关键词：逆变焊机；数字化控制；低飞溅；高焊速；等熔深
中图分类号：TG409
文献标识码：A
文章编号：10 01－2303(2012)06－0017－07
Invert welder and digital control technology
ZHANG Guang－xian，LI Peng (Shandong Austrian Electvical Company Limited，Ji'nan 250101，China)
图 4 川气东送焊机使用现场
由于地面集输工程酸性天然气腐蚀性较强，采 用热焊可以进一步巩固根焊焊缝，增加防腐层厚度。
图 5 焊机使用现场
热焊要求电弧短、穿透力强、熔池稳定，飞溅小，可 实现全位置焊接。
2．2 高焊速
随着生产效率提高的要求，出现了很多高效焊 接方法，主要有气保焊和埋弧焊两类，其中埋弧焊 方法中主要有多丝多弧埋弧焊、窄间隙埋弧焊、带 极埋弧焊等。气保焊接方法主要有单丝和双丝两 种。单丝高速焊通过选择多元保护气体或控制电流 波形；双丝则实现双丝双弧单熔池，熔敷速度可达 30 kg／min。比较而言，单丝的多元保护气体成本较 高且实现困难，双丝焊效率最高，但对实现条件要 求较高，单丝通过改进电源实现熔滴过渡的优化是 最经济可行的方法。在此重点研究数字化气保焊在 高速焊中的应用问题。
引弧时采用慢送丝和引弧规范控制，使引弧平 稳、顺畅；轻松应对自动焊对焊机引弧、收弧的高要 求。收弧时由软件精确控制回烧能量、去球时间，可 提高下一次引弧的成功率，如图 8、图 9 所示。
图 1 单片机控制数字化焊机框图
(2)第二阶段。DSP(Digital Signal Processing)微 处理器和单片机在焊机上的应用，才真正地实现了 全数字化，如图 2 所示。只有由单片机和 DSP 双机 控制的数字化焊接才能实现优质高效和可靠的焊 接过程。全数字化焊机的出现解决了长期以来难以 解决甚至不可能解决的难题，如：多功能化焊机功 能的升级换代，信息识别和诊断以及网络通信等。