脈沖MIG焊工藝與設(shè)備

1、數(shù)字化脈沖MIG焊技術(shù)方案論證MIG（脈沖MIG）焊接工藝與設(shè)備問題研討主要內(nèi)容o MIG及脈沖MIG焊接方法概述o 典型的脈沖MIG控制方法概述o 脈沖MIG控制過程分析與方案論證o 電源技術(shù)分析與方案論證o 其它相關(guān)技術(shù)問題o 工作進度討論MIG焊方法簡述 MIG焊是熔化極氣體保護焊（GMAW）的一種。在惰性氣體保護作用下，電弧產(chǎn)生在連續(xù)送進的可熔化金屬焊絲與焊接工件之間。保護氣體通常采用惰性氣體Ar氣或以Ar氣為主要成分的混合氣體（85%Ar+15%CO2）。MIG焊過程控制的基本原理o 電弧的伏安特性o 焊絲的熔化特性o 電源的伏安特性o 弧長的調(diào)節(jié)特性送絲速度送絲速度=熔化速度熔化速

2、度MIG焊基本原理熔滴過渡 焊絲在電弧的加熱作用下熔化后以一定的形式過渡到焊接熔池中的過程成為“熔滴過渡”，熔滴過渡方式與焊接規(guī)范參數(shù)有關(guān)。短路電流（A）電壓（U）射流短路顆粒顆粒射流脈沖MIG的優(yōu)點 射流過渡是一種理想的熔滴過渡模式，但是需要在較大的電流（大于臨界電流）下才能實現(xiàn)，因此限制了應(yīng)用范圍。脈沖MIG利用脈沖電流方式，可以在較低的平均電流（低熱輸入）實現(xiàn)穩(wěn)定的射流過渡，因此具有以下優(yōu)點： 1、有利于薄板焊接 2、有利于全位置焊接 3、有利于使用粗絲焊接（粗絲送絲穩(wěn)定性高）脈沖MIG的關(guān)鍵技術(shù)與難點o 脈沖參數(shù)與送絲速度的匹配 數(shù)字化技術(shù)解決的關(guān)鍵問題就是建立一個可以現(xiàn)場調(diào)用的數(shù)據(jù)庫

3、，即某一種焊絲（材料、直徑），在一定的送絲速度下所對應(yīng)的脈沖參數(shù)組合（峰值電流、基值電流、峰值時間、基值時間）o 脈沖模式下的弧長控制 脈沖電流作用下的弧長也是波動的，如何保證弧長穩(wěn)定，特別是在干伸長波動的條件下保證弧長穩(wěn)定是脈沖MIG的主要控制難題脈沖MIG與數(shù)字化的關(guān)系o 脈沖MIG的技術(shù)發(fā)展依賴于數(shù)字化信息處理的發(fā)展，而不是僅僅依賴于數(shù)字化電源技術(shù)o 焊接領(lǐng)域中數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的主要成就之一就是脈沖MIG的實用化o 脈沖MIG的實用化關(guān)鍵是用數(shù)字化技術(shù)解決了復(fù)雜的脈沖參數(shù)與送絲速度之間的數(shù)據(jù)存儲與調(diào)用（智能式控制）脈沖MIG的弧長調(diào)節(jié)方式o I/I控制方式 脈沖的峰值和基值都為電流模式o

4、U/I控制方式 脈沖的峰值為電壓模式、基值為電流模式o ACUU控制方式 脈沖基值和峰值的初始為電流模式、之后轉(zhuǎn)為電壓模式弧長調(diào)節(jié)的重要性 熔化極電弧焊接的穩(wěn)定性核心問題就是弧長的穩(wěn)定。良好的脈沖焊控制系統(tǒng)應(yīng)該能夠在焊絲干伸長較大幅度變化的條件下實現(xiàn)有效的弧長調(diào)節(jié)作用。焊絲干伸長變化的實況I/I控制模式o 基于改變恒流源給定的脈沖控制方式傳統(tǒng)脈沖控制方式o 脈沖峰值的時間是固定的o 脈沖基值的時間是根據(jù)對一個脈沖周期內(nèi)的電壓信號采樣平均值控制o 當弧長波動時，脈沖頻率將隨之波動o 由于是基于平均算法控制，所以對導電嘴到工件之間的距離控制的響應(yīng)速度較低I/I控制模式典型波形o 設(shè)定量：Ip，Ib

5、，Tp，Vseto 調(diào)節(jié)量：Tbo 控制方式：V/Fo焊絲干伸長較長o焊絲干伸長較短U/I控制模式o 典型代表產(chǎn)品U/I控制模式的設(shè)置菜單o 典型代表產(chǎn)品ACUU控制方式Millers Accu-Pulse Pulsed MIG Technology Tackles Exotic Metals, Provide 15 to 20 Percent Improvement, 1 Year Payback 典型脈沖參數(shù)參考-1o1.2mm 4043鋁合金焊絲典型脈沖參數(shù)參考-2o1.2mm 5356 鋁合金焊絲鋁合金脈沖MIG焊接參數(shù)與熔滴過渡的關(guān)系o 如何實現(xiàn)一脈一滴的熔滴過渡？o 一脈一滴是由脈

6、沖參數(shù)決定的： (常數(shù)),也就是脈沖峰值電流與脈沖寬度的乘積為常數(shù)。ctIpnpn/11/11/n脈沖參數(shù)與弧長的關(guān)系ItIcritImean1144223332143214脈沖MIG焊的熔滴過渡（鋁合金）脈沖MIG焊鋁雙絲焊I1I2熔滴過渡電流波形脈沖MIG過程的深入分析o 數(shù)字化仿真技術(shù)o 焊接電弧模型化o 電源數(shù)字化模型o MIG數(shù)字化模型MIG焊系統(tǒng)o 系統(tǒng)描述WeldingPowerSourceVAWire FeederWelding ArcWire FeederMIG電弧模型o 從實際到抽象Lt-wLa+-Contact TipLeWork PieceMIG焊系統(tǒng)的模型化o 從實際

7、到抽象LcLa+-Contact TipLeWork PieceWFSVAUoLoRo電弧電壓的分布o Cathode o Arc Columno Anode UU arc = Ucathode + Uarc column+ Uanode電弧伏安特性的數(shù)學描述12aaUkk LUi0RaLa+-Contact TipLeLdWork PieceLt-wVoltAmpLinearizationpiecewise linearityfaaUUR I34/aaewRk Lk LA1234(/)faaewUkk Lk Lk LAI電弧與電源的關(guān)系模型ISRLRUUoooof) 1(VoltAmpUps

8、=UaUoIV-A Characteristic of the Arc in GMAW IntersectionUf = k1 + k2La+ (k3 La+ k4Le)IILKLKLKKISRLRUeaaoooo)() 1(4321) 1()()(4321SRLRLKLKLKKUIoooeaao焊絲熔化速度模型 Le = Lt-w La WMR = m1UdaI + m2Lek4I 2母材電弧電阻RLLe干伸長接觸點導電嘴焊絲焊接電流I電源電弧弧長模型dtWFSWMRLa)(WMR焊絲熔化速率；WFS 焊絲送絲速度。MIG焊中個參數(shù)之間的基本關(guān)系weaafALKLKLKKUI/)(4321a

9、wteLLL)(1WFSWMRSLa21241(/)/1daewwmWMRmU Im K LA IAT SISRLRUUoooof) 1(電弧電壓電弧電流焊絲干伸長電弧長度焊絲熔化速率脈沖MIG過程的控制技術(shù)要點o 在脈沖電流作用下，焊絲的熔化速度會變化，因此脈沖MIG弧長控制的基本要求保持弧長動態(tài)穩(wěn)定，即弧長La滿足：0 La Lt-wo 在焊接過程中動態(tài)調(diào)節(jié)焊接電流，動態(tài)地滿足： WMR=WFSo 弧長的控制調(diào)節(jié)方式I/I脈沖MIG電壓反饋積分電壓設(shè)定積分U/I脈沖過程波形ACCU脈沖過程波形脈沖MIG過程的控制原理（仿真）o 仿真工具：LAbVIEWU/I 及 ACCU 的優(yōu)點o 脈沖頻

10、率固定o 脈沖頻率固定對于雙絲焊的協(xié)同控制是必要的，這也是CLOOS在雙絲焊接方面技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)。o 弧長控制算法簡單，利用了恒壓電源的自身調(diào)節(jié)作用雙絲脈沖MIG視頻資料U/I 及 ACCU 脈沖控制的關(guān)鍵技術(shù)o 對電源的要求： 平特性與陡特性的在線快速轉(zhuǎn)換o 技術(shù)途徑： 利用電源的復(fù)合外特性控制技術(shù) 如何解決電源的CC/CV特性轉(zhuǎn)換o 了解電源外特性控制的基本原理o 分析現(xiàn)有產(chǎn)品的中實現(xiàn)方法o 從外特性變化到脈沖的關(guān)系CC特性的實現(xiàn)o 一次電源都是恒壓源（CV）o 二次電源實現(xiàn)CC采用電流反饋o 所謂電流反饋的實質(zhì)是根據(jù)負載變化引起電流變化的大小和方向調(diào)整輸出電壓R1R2V1V2IV I1I

11、2CV特性的實現(xiàn)o電流內(nèi)環(huán)+電壓外環(huán)是焊機中常用的CV方式o采用電壓反饋控制電流反饋的給定o電流內(nèi)環(huán)條件下所謂電壓反饋的實質(zhì)是根據(jù)負載變化引起電壓變化的大小和方向調(diào)整輸出電流R1R2V1V2IV I1I2+HC-II系列電源外特性控制電路分析PI控制器電流反饋-PI控制器電壓給定+電壓給定電壓反饋- 輸出量HC-II系列電源外特性曲線HM系列電源外特性控制電路分析電壓反饋推力控制量電流反饋電流反饋電流給定電流給定輸出量推力給定推力限制HM系列電源外特性曲線電流內(nèi)環(huán)+電壓外環(huán)控制電路U1R1100kU2R5100kU3U4R6100kR7100kR8100kR9100kR10100kR11100

12、kR1210kR310kD2R41kD1R141kD3R13100kR15100kR16100kR17100kX1POWERIO1IO2IO3IO4+-Out1 V 12VGND132123223750%10kKey=AW4VGND10SH500150u198U5R181kR2268k2017R219k1850%10kKey=VW32810VVCCVCC50%10kKey=IW129VGND10VVCCVCC112625R231k32U650%10kKey=BW210VVCCVCCVGND24424VGNDVGNDX2SLIO1IO2IO3IO43Ib-Setting 100A/V Ip-Se

13、tting 100A/VSlopeVolt-setting 10V/V16D44R1910k7VGNDU859VGND27VGNDCurrent Feedback 1V/100ACurrent-Reference 100A/VVoltageFeedback 1V/10VPICurrent LoopVoltage LoopU3U2U410k10kD3100k100k50M100kLoad1+-1 V 50%100kKey=A91k25%1kKey=V10V21%1kKey=B10VU150%1kKey=P10VIO1IO2IO3IO410k10kCT1V/100A0V 10V/V10k100nF

14、100nF300k10kD1Key = SpaceCVCC+AF50kIpIbCurrent FeedbackCurrent SettingVoltageFeedbackVoltage Setting優(yōu)化的電流內(nèi)環(huán)+電壓外環(huán)控制電路電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)電流內(nèi)環(huán)+電壓外環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)學表達電流+電壓雙閉環(huán)控制系統(tǒng)傳遞函m電壓反饋系數(shù)n電流反饋系數(shù) CC POWER V-A Characteristico恒流電源外特性曲線CV POWER V-A Characteristico恒壓電源外特性曲線有最小電流限制的平特性電源低壓輸出時的電源伏安特性有最小電流限制的平特性電源高壓輸出時的電源伏安特性電壓/電

15、流復(fù)合脈沖電路原理U1R1100kU2R5100kU3U4R6100kR7100kR8100kR9100kR10100kR11100kR1210kR310kD2R41kD1R141kD3R13100kR15100kR16100kR17100kX1POWERIO1IO2IO3IO4+-12VGND1321232237100%10kKey=AW4VGND10SH500150u198U5R181kR2268k2017R219k185%10kKey=IW129VGND10VVCCVCC112625R231k32U635%10kKey=BW210VVCCVCC24424VGNDVGNDIb-Settin

16、g 100A/V Ip-Setting 100A/VSlopeVolt-setting 10V/V16D44R1910k7VGNDU859VGNDCurrent Feedback 1V/100ACurrent-Reference 100A/VVoltageFeedback 1V/10VPICurrent LoopVoltage LoopV11.5 V 4 V 2msec 5msec VGND14D5BZV55-B15R2050m3XSC1ABExt Trig+_+_XCP11527V24 Vpk 1.7kHz 15 J1Key = SpaceVGND1628改變電壓實現(xiàn)電流脈沖的原理Ip=35

17、0AIb=50AVp=40VVb=15VLo （U=15+0.05I）脈沖峰值時的電壓/電流復(fù)合作用-I+LIp=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo脈沖基值時的電壓/電流復(fù)合作用+I-LIp=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo電壓/電流復(fù)合脈沖工作原理+I-I-L+LIp=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo脈沖MIG對送絲機的要求o 高精度，要求送絲速度與脈沖參數(shù)之間的精確匹配o 高響應(yīng)速度，實現(xiàn)高質(zhì)量的引弧和收弧的必要技術(shù)手段o 數(shù)字化的AC伺服電機已經(jīng)成為高檔脈沖MIG的送絲驅(qū)動的首選電機o 因此目前認為：數(shù)字化焊機應(yīng)該包括送絲機的數(shù)字化初期實驗方

18、案o 快速實現(xiàn)基本控制思想（電流/電壓復(fù)合控制）o 解決焊接參數(shù)的優(yōu)化問題（脈沖參數(shù)與送絲速度的匹配）PCAD/DAI/O模擬電源AC伺服送絲機產(chǎn)品技術(shù)方案框圖PC嵌入式控制器DSP控制電源AC伺服送絲機o 實現(xiàn)完整的嵌入式控制數(shù)字化脈沖MIG焊機數(shù)字化電源框圖數(shù)字化電源控制系統(tǒng)的基本算法變參數(shù)數(shù)字PI設(shè)計及程序框圖 00d1utteTteKtutiPkiipTieTkeKku0)(1)()()1()()() 1()(kekeKkeKkukupi數(shù)字焊接電源系統(tǒng)控制芯片（控制芯片（DSP+CPLDDSP+CPLD）選擇）選擇數(shù)字化焊機操作面板幾種形式o LED方式o LCD方式o 傳統(tǒng)方式+上

19、位機FroniusFronius TPS TPS 系列系列o控制面板LED設(shè)置旋鈕顯示區(qū)材料選擇操作模式選擇( () )( () )0.8（mm）0.91.01.21.41.6WARNINGLOADSAVEENTERJ O BMEMORYSecJO BN O .VAm/minAm/minVT1T2MAINCONDITIONINITIALCONDITIONDISPLAYCHANGEVOLT. CONTROLONINITIALCURR.SPOT TIMEGASCHECKINCHINGOFFONSPOTONCONSTANTPENETRATIONW ELDINGMETHODWIRE DIAMILDST

20、EELMILDSTEELSTAINLESSSTEELMILDSTEELCOREDSTAINLESSCOREDAL/PUREAL/MG（2%O2）CO2MAGMIGMIGA R CCONTROLWATERTORCH%HzfDC PULSEDC Wave Pulse (op)DCWAVE PULSE (Op.)ONCRATER -FILLCONDITIONCRATER FILLSYNERG.SYNERG.INDIV.焊接條件記憶存儲功能（最大可存100條）焊接模式的選擇：用軟觸鍵設(shè)定焊接方法和焊絲直徑，簡便無誤。用發(fā)光二極管指示設(shè)定結(jié)果，一目了然。 顯示區(qū)功能鍵：軟觸鍵數(shù)字顯示操作面板可以便捷地設(shè)

21、定所有焊接相關(guān)功能而無需對電源內(nèi)部進行復(fù)雜設(shè)置。用同一旋鈕設(shè)定所有的焊接參數(shù)值，操作便捷電弧特性：可用電弧特性旋鈕自由調(diào)節(jié)電弧硬度，根據(jù)作業(yè)內(nèi)容和個人習慣設(shè)定最佳電弧狀態(tài)。各種功能:備有初期電流設(shè)置、一元化電壓調(diào)整，恒熔深控制等功能，實現(xiàn)高質(zhì)量的焊接。預(yù)留模式：通過安裝特殊軟件追加焊接模式后，可以實現(xiàn)特種材料的焊接。OTC DP400oLED350GR3、500GR3HD-500o LEDCLOOSo LEDo LCD大屏幕的液晶顯示電腦化操作界面CLOOSo LCDLINCOLN POWERWAVE455M/STTo林肯焊機的操作面板很簡單，幾乎沒有數(shù)字化的概念，但是它提供與上位機的聯(lián)機功能

22、和波形設(shè)計軟件。所以說：數(shù)字化不一定體現(xiàn)在外觀o控制面板傳統(tǒng)形式+上位機上位機功能是發(fā)展方向高頻逆變電源的實現(xiàn)o 60-100KHz的逆變電源在高檔逆變焊機中已經(jīng)成為一種主流，這主要是因為控制對機器響應(yīng)速度的要求o 單管技術(shù)的崛起支持了高頻化o 模塊化、組合式支持了大功率雙單端組合的逆變電源o目前實施中的ZX7-315主電路關(guān)于交流伺服電機用于送絲機的問題o 交流伺服電機是目前性能最優(yōu)異的電機之一，交流伺服電機的控制系統(tǒng)就是一個復(fù)雜的數(shù)字化控制器o 交流伺服電機目前主要用于數(shù)控運動系統(tǒng)，用于焊接送絲機不是可不可以的問題，只是是否經(jīng)濟合算的問題o 一臺低檔交流伺服電機價格相當于一臺中檔的焊機，因

23、此用于送絲在一般的韓集中是有些承受不起，但是在高檔焊機中，交流伺服電機已經(jīng)開始應(yīng)用o 主要是利用其高速的響應(yīng)速度，快速停止，甚至反抽，是目前一些特殊焊接技術(shù)的必要支持例如：CMT工藝的特征o AC 交流伺服馬達在焊槍內(nèi)n非常迅捷改變送絲速度是實現(xiàn)CMT工藝的先決條件CMT過程示意圖t = 0 mst = 4.59 mst = 6.21 mst = 7.56 mst = 11.34 mst = 13.23 mst = 13.77 mst = 14.31 mso 反抽焊絲是技術(shù)核心，交流伺服電機是個必需的例如：精確控制引弧過程的方法 引弧視頻資料高性能的薄板低電流焊接問題o 目標定位于：2mm鋁板

24、，50A有一定的技術(shù)難度，其難度主要表現(xiàn)在脈沖MIG不是解決此問題的最佳方式，因此與其說是難度，不如說是技術(shù)定位問題o 目前薄板焊接的技術(shù)前沿是：CMT，COLD- ARC 等，其特點是控制短路過程（短路而無飛濺），而不是避免短路過程o 因此產(chǎn)品如果就是要定位于薄板低電流，那么應(yīng)該調(diào)整到短路控制技術(shù)，而不是脈沖MIGCLOOS的冷焊技術(shù)o 交流脈沖MIG工作進度安排項目內(nèi)容o 電源（功率模塊+控制模塊）o 焊接工藝試驗（參數(shù)數(shù)據(jù)庫建立）o 操作面板（數(shù)據(jù)庫的一元化使用及焊接時序）o 送絲機（使用交流伺服電機）o 焊接試驗工作臺（焊接參數(shù)數(shù)據(jù)庫建立必備）o 聯(lián)機調(diào)試電源o 電源功率模塊采用單管I

25、GBT技術(shù)，設(shè)計工作頻率60-80KHz，200A模塊組合。工作時間第一階段樣機50工作日，第二階段完善改進30工作日，第三階段定性20工作日o 控制部分采用DSP或ARM，實現(xiàn)PWM的數(shù)字化控制。第一階段樣機60工作日（硬件30日、軟件30日），第二階段改進完善30工作日，第三階段定型20工作日o 考慮到部分可并行工作，以上兩部分合計180工作日（約八個月）焊接工藝試驗o脈沖MIG參數(shù)的確定是一個大量焊接工藝試驗的結(jié)果，由于送絲速度與脈沖參數(shù)之間不是線性關(guān)系，一元化調(diào)節(jié)是通過建立在大量實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的插值算法獲得，而插值算法的精度取決于數(shù)據(jù)量。如果按送絲速度每0.1米（一般在數(shù)字化焊機中的送

26、絲速度的最低分辨率為0.1米）一個數(shù)據(jù)點，當送絲速度從2米到22米就需要有200個實驗數(shù)據(jù)支持，這樣的數(shù)據(jù)工作量太大。可以采用插值算法，以0.5米為一個數(shù)據(jù)點，這樣就可以將實驗數(shù)據(jù)量降低到原來的1/5。即使這樣，對于一種焊絲（直徑、材料）也要有40個點試驗數(shù)據(jù)才能獲得進行一元化調(diào)節(jié)插值計算所必要數(shù)據(jù)。而每個數(shù)據(jù)點要有至少4個參數(shù)（峰值電流、峰值時間、基值電流、基值時間或），假設(shè)有3種焊絲材料（鋼、不銹鋼、鋁），每種材料三個焊絲直徑（1.0、1.2、1.6），那么要求有34360個實驗數(shù)據(jù)支持。根據(jù)最理想的實驗情況，獲得一個點數(shù)據(jù)平均需要1小時（不含輔助工作、設(shè)備故障因素和數(shù)據(jù)后處理工作），通常

27、一天最多能完成4個數(shù)據(jù)點的工作，360個數(shù)據(jù)點意味著至少要90個工作日，實際上考慮到設(shè)備因素（由于是與電源部分不是成熟產(chǎn)品），至少要按100個工作日計算。 比較完整的脈沖MIG焊接工藝參數(shù)內(nèi)容焊機操作面板o焊機操作面板的核心就是建立一個由送絲速度控制的“一元化”調(diào)節(jié)控制器，由于前述送絲速度與脈沖參數(shù)之間非線性的，至少要集成360個實驗數(shù)據(jù)點，而每個數(shù)據(jù)點中有至少4個數(shù)據(jù)，也就是說有一個上千個數(shù)據(jù)點的表格，這也就是為什么脈沖MIG一定要數(shù)字化的主要原因。換句話說：脈沖MIG焊機的電源可以不是數(shù)字化的，但是焊機的操作面板一定要數(shù)字化的。這部分的工作涉及到MCU硬件、軟件（也就是以前說的單片機）和界

28、面設(shè)計三個方面的工作。界面設(shè)計可借用目前HD-500（如果沒有意見的話）。操作界面的基礎(chǔ)硬件設(shè)計達到可以編程調(diào)試至少需要30個工作日，編程調(diào)試也至少要30個工作日?？紤]到部分工作可以交叉進行，因此第一輪設(shè)計調(diào)試需要至少50個工作日，第二輪改進需要25個工作日，第三輪定型設(shè)計需要15個工作日，合計90個工作日。另外與PC機的接口和遙控盒也是必須的，當然這部分不影響機器的焊接性能，如果考慮著部分至少需要增加20個工作日。送絲機o 一種關(guān)于數(shù)字化焊機的新定義：數(shù)字化焊機應(yīng)該包括電源的數(shù)字化和送絲機的數(shù)字化兩部分。所謂送絲機的數(shù)字化就是指交流伺服電機的采用。交流伺服電機是一種可以用脈沖精確控制速度的電機，也就是現(xiàn)在數(shù)控切割、機器人等機構(gòu)中使用的電機。交流伺服電機的唯一