CN105127553A - 一种锁孔效应tig深熔焊焊机控制***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种锁孔效应TIG深熔焊焊机控制***，包括主控制电路模块、人机界面、焊接电源控制模块、控制开关模块、高频起弧模块、电流平衡模块、双路驱动模块以及双路IGBT模块。本发明还公开了一种使用上述锁孔效应TIG深熔焊焊机控制***的控制方法。采用本发明，驱动控制专利特殊设计的焊枪，能够实现锁孔效应深熔氩弧焊，使焊接效率大大提高，同时，厚板焊接不需开坡口，不需填充焊丝或仅需少量填充焊丝，因此大大节约了焊接成本，具有很高的工业应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及焊接装备领域，尤其涉及一种产生锁孔效应TIG深熔焊的焊机控制***。
背景技术
TIG焊（TungstenInertGasarcWelding），又称为惰性气体钨极保护焊，其是一种成熟的焊接方法，在碳钢、不锈钢、铝合金及有色金属材料的焊接领域有广泛的应用。普通的TIG焊接电弧稳定，焊接质量好，但是其熔深较浅，焊接速度较慢，效率较低。如对于不锈钢或钛合金，一般一次焊接熔深最大只能达到4mm左右。因此，TIG焊一般用于薄板焊接或者厚壁重要构件的底层熔透焊道打底焊。
对于中厚度（>4mm）金属板材，传统的做法需要在连接处根据实际板厚开相应角度的坡口，并进行多层多道焊接才能完成，这样的方式不但导致焊接效率大大降低，而且会导致焊接变形和热影响区增大，通常会影响到焊接接头的质量。例如，对钛合金来说，热影响区增大意味着晶粒的长大，导致其韧性急剧下降。如不开坡口、一次焊接就能全部焊透，从而大大提高焊接效率，显著减少钢板开坡口和焊接的工时，并能不用或用很少的填充焊材，将极大地降低焊接成本。因此，开发大熔深的高效TIG焊接方法对于提高焊接效率、减少焊接材料消耗有很大的好处。
目前能形成“锁孔”效应焊接的技术主要在激光焊、真空电子束焊和等离子焊中实现。激光焊和真空电子束焊设备非常昂贵，对焊接环境和焊件要求苛刻，等离子焊需要压缩电弧，焊接能量密度很高，焊枪设计复杂、需要经常维护、对焊接参数的变化很敏感，并且目前等离子焊技术对板厚8至10毫米以上不锈钢，10至12毫米以上钛合金无法实现单面焊双面成形的一次性焊接，焊接成本高。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种锁孔效应TIG深熔焊焊机控制***。可能够驱动焊枪实现锁孔效应的深熔焊，使得焊接效率大大提高，对13毫米厚的不锈钢、15毫米厚的钛合金焊件实现无需开坡口、单面焊双面成形的一次性焊接。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种锁孔效应TIG深熔焊焊机控制***，包括主控制电路模块、人机界面、焊接电源控制模块、控制开关模块、高频起弧模块、电流平衡模块、双路驱动模块以及双路IGBT模块；
所述人机界面产生控制指令并输入所述主控制电路模块；
所述主控制电路模块根据所述控制指令包含的工艺参数生成焊接控制时序数据，并将所述焊接控制时序数据传送入所述焊接电源控制模块；
所述焊接电源控制模块根据所述焊接控制时序数据控制所述控制开关模块对所述高频起弧模块产生开/关动作，并使所述电流平衡模块输出激励控制信号，并通过所述电流平衡模块使所述双路驱动模块输出电流的差异在限定范围内；
所述双路驱动模块依据所述激励控制信号使所述双路IGBT模块输出最高1000A直流电流，并与所述高频起弧模块产生的高频脉冲高压信号叠加输入焊枪。
进一步地，还包括运行状态信号反馈处理模块，用于将所述焊枪的运行状态反馈输入所述焊接电源控制模块以及电流平衡模块。
更进一步地，所述运行状态信号反馈处理模块包括分别用于检测焊枪焊接电流、电压、功率器件温度、冷水机运行状态以及双路IGBT模块输出状态的焊接电流反馈模块、焊接电压反馈模块、温度信号反馈模块、冷水机运行状态反馈模块以及两路IGBT输出反馈模块。
更进一步地，所述控制开关模块包括焊枪保护气气阀开关、冷水机电源开关和焊枪开关，分别用于开关焊枪保护气气阀，开关冷水机电源以及通过控制所述高频起弧模块工作完成所述焊枪的起弧。
进一步地，所述人机界面包括液晶显示模块、薄膜按键输入模块、线控开关输入模块、ENET网络接口模块和报警单元模块；
所述液晶显示模块用于显示设置信息、焊接工艺参数数据、焊接工况、用户操作指引信息以及焊机的当前状态信息；
所述薄膜按键输入模块用于将用户输入指令转换成特定编码数据，并将所述编码数据传送至所述主控制电路模块；
所述线控开关输入模块将用户的按键输入进行编码转换并传送给所述主控制电路模块；
所述ENET网络接口处理模块提供网络接口，用于远程接受用户的输入编制好的焊接工艺参数脚本文件下载到焊机，或者读取焊机当前使用焊接工艺参数数据；
所述报警单元模块，用于在焊机发生异常状况的时候，接收所述主控制电路模块的控制信号，向用户发出报警警示信号。
更进一步地，所述双路IGBT模块控制电弧电流沿I=βt2+Iα快速平滑上升至熔池穿透电流Ip,并把穿透电流Ip保持输出Tp时间穿透焊件，产生锁孔效应后迅速降低电流输出至焊接电流Iw，维持稳定焊接电流至焊接完成，并通过I=-kt+Iw收弧，其中β为与焊接材料与厚度确定的系数，Iα为起弧电流，t为时间变量，k为常数系数。
本发明实施例还公开了一种使用上述锁孔效应TIG深熔焊焊机控制***的控制方法，包括以下步骤：
开启焊枪保护气阀门，使保护气体输送至焊枪，待所述焊枪的钨极与待焊焊点之间的空气被排空后，双路驱动模块激励双路IGBT模块输出起弧电流Ia,***通过启动高频起弧模块向所述焊枪的钨极输出高频高压，使所述钨极与焊点之间起弧，所述双路IGBT模块输出电流Ia使电弧得到维持，关闭所述高频起弧模块，***持续向驱动模块增加激励，使所述双路IGBT模块输出电流沿曲线I=βt2+Iα上升至熔池穿透电流Ip,并把穿透电流Ip保持输出Tp时间穿透焊件，产生锁孔效应后迅速降低电流输出至焊接电流Iw，维持稳定焊接电流至焊接完成，并通过I=-kt+Iw收弧，其中β为与焊接材料与厚度确定的系数，Iα为起弧电流，t为时间变量，k为常数系数。
进一步地，在产生锁孔效应后所述焊枪沿焊缝与焊件做相对位移运动，使熔池不断前移。
更进一步地，控制***通过运行状态信号反馈处理模块检测所述双路IGBT模块的两路桥臂输出间差异是否超过预设范围，通过所述电流平衡模块和双路驱动模块对所述双路IGBT模块输出电流进行微调。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明能够实现锁孔效应的深熔焊，使得焊接效率大大提高，对13毫米厚的不锈钢、15毫米厚的钛合金焊件进行焊接，可以实现无需开坡口无需填充焊丝，一次性焊透，单面焊双面成形，从而大大提升焊接效率，降低能源消耗，节约了焊接成本，具有巨大的工业应用价值。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意框图；
图2是焊接电流变化示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
参照图1所示的本实施例的结构示意框图。
在本实施例中，一种锁孔效应TIG深熔焊焊机控制***，对针对本申请人的发明专利：锁孔效应TIG深熔焊焊枪（专利号：201420318497.7）进行设计的控制***，包括主控制电路模块1、人机界面2、焊接电源控制模块3、控制开关模块4、高频起弧模块5、电流平衡模块6、双路驱动模块7、双路IGBT模块8、运行状态信号反馈处理模块9。
主控制电路模块1包括32位高速ARM微处理器存储单元和***接口电路单元，用于将用户选定的工艺参数数据换算生成精确焊接控制时序数据，并将数据传送到焊接电源控制模块3，焊接电源控制模块3根据焊接工艺要求实现控制完成提前送气、起弧、维持电弧、收弧和延后收气的焊接工作。
人机界面2包括液晶显示模块21、薄膜按键输入模块22、线控开关输入模块23、ENET网络接口模块24和报警单元模块25，用于接收控制数据，并显示、输出焊机的***设置信息、焊接工况以及方便用户操作本***的提示信息，薄膜按键输入模块22用于将用户输入指令转换成特定编码数据，并将编码数据传送至主控制电路模块1，线控开关输入模块23将用户的按键输入进行编码转换并传送给主控制电路模块1，ENET网络接口处理模块24提供网络接口，用于远程接受用户的输入编制好的焊接工艺参数脚本文件下载到焊机，或者读取焊机当前使用焊接工艺参数数据；报警单元模块，用于在焊机发生异常状况的时候，接收主控制电路模块1的控制信号，向用户发出报警警示信号。
焊接电源控制模块3包括用于接收主控制电路模块1传来的精确焊接控制时序数据，通过控制控制开关模块4打开或关闭相应开关，结合运行状态信号反馈处理模块9反馈的焊接电流和焊接电压信号，经过数/模转换生成向电流平衡模块6输出的电流激励信号
控制开关模块4，包括焊枪保护气气阀开关41、冷水机电源开关42和焊枪开关等单元43，用于开关焊枪保护气气阀，开关冷水机电源以及通过控制高频起弧模块5工作完成焊枪的起弧。
运行状态信号反馈处理模块9，包括焊接电流反馈模块91、焊接电压反馈模块92、温度信号反馈模块93、冷水机运行状态反馈模块94以及两路IGBT输出反馈模块，用于监测***运行时的焊接电流、焊接电压、功率器件的温度以及冷水机的运行状况等信号，并将这些信号做必要的电气隔离后反馈给焊接电源控制模块3。
电流平衡模块6，用于接收焊接电源控制模块3传送来的控制信号和激励信号，通过内部以主从方式连接、并联运行的两路电流定频PWM脉冲发生器电路，输出两路平衡的PWM脉冲信号到所述双路驱动模块8，同时电流平衡模块6会通过运行状态信号反馈处理模块9监测双路IGBT模块8的两路IGBT输出，一旦这两路IGBT电流输出的差异达到限定程度，则电流平衡模块6会自动关断PWM脉冲输出，以保护下级功放电路。
高频起弧模块5，用于产生高频的脉冲高压信号，并将脉冲高压信号加载到焊接电源输出的负极，使焊枪钨棒的尖端与焊件间产生电弧；双路驱动模块7，用于分别对从电流平衡模块6输入的两路PWM脉冲信号进行隔离，并转换为适用于驱动双路IGBT模块的信号8；双路IGBT模块8，包括两路并联工作的IGBT电路单元、双路IGBT输出合并单元、整流单元和滤波器单元，用于向焊枪输出稳定的，最大可达1000安培的直流电流，完成对焊件的焊接工作。
本发明配合发明专利：锁孔效应TIG深熔焊焊枪（专利号：201420318497.7）可以实现锁孔效应TIG深熔焊。
焊接时，焊枪钨棒通过导电杆连接焊接电源负极，待焊接工件连接焊接电源正极，用户通过人机界面模块2启动运行并选择工艺参数，主控制电路模块1将用户选定的工艺参数数据通过运算生成精确焊接控制时序数据，并将数据传送到焊接电源控制模块3，由焊接电源控制模块3根据精确焊接控制时序数据依次控制开启冷水机电源开关、焊枪保护气阀门，焊枪循环冷却水运转，保护气体从焊枪嘴持续流出，经过一定时间后，钨针与待焊焊件之间的空间充满了保护气体，焊接电源控制模块3输出引弧激励电流到电流平衡模块6，由其产生两路平衡的PWM脉冲驱动双路驱动模块7和双路IGBT模块8工作，在焊枪钨极尖端与工件表面形成稳定的直流电压，焊接电源控制模块3控制控制开关模块4开启焊枪开关，控制高频起弧模块5输出高频高压信号并加载到焊接电源负极激发电弧，焊机电源的正极与负极间导通，电弧产生后，高频起弧模块5随即停止工作，由双路IGBT模块8输出基值电流维持电弧，焊接电源控制模块3控制根据精确焊接控制时序数据向电流平衡模块6输出逐渐增加的激励电流，通过电流平衡模块6、双路驱动模块7和双路IGBT模块8的工作，使电弧电流逐渐增大，焊件上的熔池逐渐加深，最终熔池熔透焊件并形成锁孔效应，焊接电源控制模块3通过运行状态信号反馈处理模块9的反馈信息监测并精确控制电弧电流保持稳定，工装装置驱动焊枪与焊件之间做匀速位移，焊件在电弧的作用下熔池沿焊缝不断前移，使得焊接过程持续进行，当熔池到达焊缝末端时，用户通过人机界面模块2向主控制电路模块1发出停止焊接指令，主控制电路1模块随即向焊接电源控制模块3发送收弧指令，焊接电源控制模块3按照精确焊件控制时序数据逐渐降低激励电流，最终使电弧熄灭完成收弧工作，在电弧刚刚熄灭的时候，焊件和焊枪的温度仍然很高，焊接电源控制模块3按照精确焊件控制时序数据维持焊枪保护气阀开关和冷水机电源开关处于开启状态，直到焊件、焊枪温度降低到适宜的程度才关闭保护气阀开关和冷水机电源开关。本发明所述的锁孔效应TIG深熔焊控制***产生的焊接电流最大可达1000A，能一次焊透3~18mm厚度的碳钢、不锈钢、钛及其合金、锆及其合金等金属板材，是一种能实现锁孔效应焊接的新型焊接***，其形成的锁孔是“自然”形成的，因为其电弧是不经过压缩，主要靠大电流形成的电弧力与液体金属静压力、表面张力平衡形成的。该锁孔是高度集中的能量和压力所形成的，熔池中液体金属流围绕着“锁孔”流动而不会导致金属流失。“锁孔”的存在使得焊接熔深能大大地增加，是焊接厚板、特殊金属的理想方法。
本发明的锁孔效应TIG深熔焊控制***是通过在熔池底部可能形成孔洞的地方有意地增大电弧压力，在这些点上，电弧的底部穿破了工件的下表面，当热输入足够熔透工件时就能形成“锁孔”，电弧等离子体能够泻出。由洛伦磁力驱动的电弧压力作用在电弧等离子体上，彻底地电磁化。TIG焊的能量密度不足以产生合适的反冲压力，因此，与激光焊和电子束焊锁孔不同，TIG焊锁孔是洛伦磁力驱动的，集成了反冲压力和滞止压力。
焊接时锁孔必须保持开放，并且电弧气体穿过工件，因此锁孔TIG是单道焊完成的。由于电弧气体是由工件背面排出的，因此焊接很少出现熔池扰动和气孔。与大电流普通TIG焊相比，大电流TIG经常出现熔池扰动、焊缝空洞、蠕虫状气孔等缺陷，主要原因是电弧气体的不完全***。
双路IGBT模块控制电弧电路沿I=βt2+Iα快速平滑上升至熔池穿透电流Ip,并把穿透电流Ip保持输出Tp时间穿透焊件，产生锁孔效应后迅速降低电流输出至焊接电流Iw，维持稳定焊接电流至焊接完收，并通过I=-kt+Iw收弧。
其中β为与焊接材料与厚度确定的系数，可根据实验数据确定，Iα为起弧电流，t为时间变量，k为常数系数。
本发明实施例还公开了一种使用上述锁孔效应TIG深熔焊焊机控制***的控制方法，具体方法步骤为：开启焊枪保护气阀门，使保护气体输送至焊枪，待所述焊枪的钨极与待焊焊点之间的空气被排空后，双路驱动模块激励双路IGBT模块输出起弧电流Ia,***通过启动高频起弧模块向所述焊枪的钨极输出高频高压形，使所述钨极与焊点之间起弧，所述双路IGBT模块输出电流Ia使电弧得到维持，关闭所述高频起弧模块，***持续向驱动模块增加激励，使所述双路IGBT模块输出电源沿曲线I=βt2+Iα上升至熔池穿透电流Ip,并把穿透电流Ip保持输出Tp时间穿透焊件，产生锁孔效应后迅速降低电流输出至焊接电流Iw，维持稳定焊接电流至焊接完收，并通过I=-kt+Iw收弧，其中β为与焊接材料与厚度确定的系数，Iα为起弧电流，t为时间变量，k为常数系数。
以下进行举例说明：
参照图2所示示意图。
使用本发明在焊接14毫米厚的钛合金时，焊接工艺参数设定为：前气时间=4s,焊接电流Iw=510A，缓升时间Ta=5s，缓降时间Td=7s，延气时间=8s，控制***将设置β=21.54，Tp=0.2ms，Ia=150A，Is=60A，k=64.29，用户在焊件及焊机准备就绪后，按下“启动”按钮，控制***进入焊接流程：开启焊枪保护气阀门，保护气体输送到焊枪，经过4秒时间，焊枪钨极与待焊焊点间的空气被排空，驱动模块激励IGBT模块输出起弧电流Ia,由于此时电弧未形成，焊机的正负电极间处于开路状态，没有电流流通，只维持一定的电势差，***启动高频起弧模块，向焊枪钨极输出高频高压，钨极与焊点间气体被击穿形成电弧，正负极间在电弧作用下形成通路，双路IGBT模块输出电流Ia使电弧得到维持，高频起弧模块关闭，控制***持续向双路驱动模块增加激励，驱动双路IGBT模块输出电流沿曲线I=21.54t2+150上升，经过Ta=5秒达到Ip=688.5A，维持Tp=0.2毫秒时间，熔池穿透焊件形成小孔，控制体统降低向双路驱动模块输出的激励，是IGBT模块输出回落到焊接电流Iw=510A,维持稳定的锁孔效应，在工装带动下，焊枪沿焊缝，与焊件做相对位移运动，熔池不断前移，控制***通过运行状态信号反馈处理模块检测双路IGBT模块输出，在双路IGBT模块的两路桥臂输出间差异超过预设范围，或者合并输出的电流与焊接电流Iw=510A间的差异超出预设范围时，控制***通过电流平衡模块和双路驱动模块对IGBT模块输出进行微调，使其输出满足要求，焊接过程持续，直至熔池到达焊缝末端，用户按下“停止”按钮，进入收弧阶段，***控制驱动模块输出逐渐降低，使IGBT模块输出也逐渐减少，输出电流沿直线I=-64.29t+510经过Td=7秒时间下降到熄弧电流60A以下，电弧熄灭，在收弧过程中，熔池弧坑逐渐回填，熔池内部可能存在的气泡完全逸出熔池，然后熔池逐渐冷却凝固，在电弧刚熄灭时，焊件与焊枪的温度仍然很高，因此保护气仍维持送气，直到延气时间8秒结束，控制***关闭保护气阀门，控制***的焊接过程结束。
当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种锁孔效应TIG深熔焊焊机控制***，其特征在于，包括主控制电路模块、人机界面、焊接电源控制模块、控制开关模块、高频起弧模块、电流平衡模块、双路驱动模块以及双路IGBT模块；
所述人机界面产生控制指令并输入所述主控制电路模块；
所述主控制电路模块根据所述控制指令包含的工艺参数生成焊接控制时序数据，并将所述焊接控制时序数据传送入所述焊接电源控制模块；
所述焊接电源控制模块根据所述焊接控制时序数据控制所述控制开关模块对所述高频起弧模块产生开/关动作，并使所述电流平衡模块输出激励控制信号，并通过所述电流平衡模块使所述双路驱动模块输出电流的差异在限定范围内；
所述双路驱动模块依据所述激励控制信号使所述双路IGBT模块输出最高1000A直流电流，并与所述高频起弧模块产生的高频脉冲高压信号叠加输入焊枪。
2.根据权利要求1所述的锁孔效应TIG深熔焊焊机控制***，其特征在于，还包括运行状态信号反馈处理模块，用于将所述焊枪的运行状态反馈输入所述焊接电源控制模块以及电流平衡模块。
3.根据权利要求2所述的锁孔效应TIG深熔焊焊机控制***，其特征在于，所述运行状态信号反馈处理模块包括分别用于检测焊枪焊接电流、电压、功率器件温度、冷水机运行状态以及双路IGBT模块输出状态的焊接电流反馈模块、焊接电压反馈模块、温度信号反馈模块、冷水机运行状态反馈模块以及两路IGBT输出反馈模块。
4.根据权利要求3所述的锁孔效应TIG深熔焊焊机控制***，其特征在于，所述控制开关模块包括焊枪保护气气阀开关、冷水机电源开关和焊枪开关，分别用于开关焊枪保护气气阀，开关冷水机电源以及通过控制所述高频起弧模块工作完成所述焊枪的起弧。
5.根据权利要求1所述的锁孔效应TIG深熔焊焊机控制***，其特征在于，所述人机界面包括液晶显示模块、薄膜按键输入模块、线控开关输入模块、ENET网络接口模块和报警单元模块；
所述液晶显示模块用于显示设置信息、焊接工艺参数数据、焊接工况、用户操作指引信息以及焊机的当前状态信息；
所述薄膜按键输入模块用于将用户输入指令转换成特定编码数据，并将所述编码数据传送至所述主控制电路模块；
所述线控开关输入模块将用户的按键输入进行编码转换并传送给所述主控制电路模块；
所述ENET网络接口处理模块提供网络接口，用于远程接受用户的输入编制好的焊接工艺参数脚本文件下载到焊机，或者读取焊机当前使用焊接工艺参数数据；
所述报警单元模块，用于在焊机发生异常状况的时候，接收所述主控制电路模块的控制信号，向用户发出报警警示信号。
6.根据权利要求1~5任一项所述的锁孔效应TIG深熔焊焊机控制***，其特征在于，所述双路IGBT模块控制电弧电流沿I=βt2+Iα快速平滑上升至熔池穿透电流Ip,并把穿透电流Ip保持输出Tp时间穿透焊件，产生锁孔效应后迅速降低电流输出至焊接电流Iw，维持稳定焊接电流至焊接完成，并通过I=-kt+Iw收弧，其中β为与焊接材料与厚度确定的系数，Iα为起弧电流，t为时间变量，k为常数系数。
7.一种使用权利要求1~5任一项所述的锁孔效应TIG深熔焊焊机控制***的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
开启焊枪保护气阀门，使保护气体输送至焊枪，待所述焊枪的钨极与待焊焊点之间的空气被排空后，双路驱动模块激励双路IGBT模块输出起弧电流Ia,***通过启动高频起弧模块向所述焊枪的钨极输出高频高压，使所述钨极与焊点之间起弧，所述双路IGBT模块输出电流Ia使电弧得到维持，关闭所述高频起弧模块，***持续向驱动模块增加激励，使所述双路IGBT模块输出电流沿曲线I=βt2+Iα上升至熔池穿透电流Ip,并把穿透电流Ip保持输出Tp时间穿透焊件，产生锁孔效应后迅速降低电流输出至焊接电流Iw，维持稳定焊接电流至焊接完成，并通过I=-kt+Iw收弧，其中β为与焊接材料与厚度确定的系数，Iα为起弧电流，t为时间变量，k为常数系数。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在产生锁孔效应后所述焊枪沿焊缝与焊件做相对位移运动，使熔池不断前移。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，控制***通过运行状态信号反馈处理模块检测所述双路IGBT模块的两路桥臂输出间差异是否超过预设范围，通过所述电流平衡模块和双路驱动模块对所述双路IGBT模块输出电流进行微调。
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