脈沖焊工藝與設(shè)備演示文稿

脈沖焊工藝與設(shè)備演示文稿當(dāng)前第1頁\共有87頁\編于星期二\13點（優(yōu)選）脈沖焊工藝與設(shè)備當(dāng)前第2頁\共有87頁\編于星期二\13點MIG焊方法簡述MIG焊是熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）的一種。在惰性氣體保護(hù)作用下，電弧產(chǎn)生在連續(xù)送進(jìn)的可熔化金屬焊絲與焊接工件之間。保護(hù)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）。當(dāng)前第3頁\共有87頁\編于星期二\13點MIG焊過程控制的基本原理電弧的伏安特性焊絲的熔化特性電源的伏安特性弧長的調(diào)節(jié)特性送絲速度=熔化速度當(dāng)前第4頁\共有87頁\編于星期二\13點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當(dāng)前第5頁\共有87頁\編于星期二\13點脈沖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）當(dāng)前第6頁\共有87頁\編于星期二\13點脈沖MIG的關(guān)鍵技術(shù)與難點脈沖參數(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，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）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的主要控制難題當(dāng)前第7頁\共有87頁\編于星期二\13點脈沖MIG與數(shù)字化的關(guān)系脈沖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)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）當(dāng)前第8頁\共有87頁\編于星期二\13點脈沖MIG的弧長調(diào)節(jié)方式I/I控制方式脈沖的峰值和基值都為電流模式U/I控制方式脈沖的峰值為電壓模式、基值為電流模式ACUU控制方式脈沖基值和峰值的初始為電流模式、之后轉(zhuǎn)為電壓模式當(dāng)前第9頁\共有87頁\編于星期二\13點弧長調(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當(dāng)前第10頁\共有87頁\編于星期二\13點I/I控制模式基于改變恒流源給定的脈沖控制方式——傳統(tǒng)脈沖控制方式脈沖峰值的時間是固定的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當(dāng)弧長波動時，脈沖頻率將隨之波動由于是基于平均算法控制，所以對導(dǎo)電嘴到工件之間的距離控制的響應(yīng)速度較低當(dāng)前第11頁\共有87頁\編于星期二\13點I/I控制模式典型波形設(shè)定量：Ip，Ib，Tp，Vset調(diào)節(jié)量：Tb控制方式：V/F焊絲干伸長較長焊絲干伸長較短當(dāng)前第12頁\共有87頁\編于星期二\13點U/I控制模式典型代表產(chǎn)品當(dāng)前第13頁\共有87頁\編于星期二\13點U/I控制模式的設(shè)置菜單典型代表產(chǎn)品當(dāng)前第14頁\共有87頁\編于星期二\13點ACUU控制方式Miller’sAccu-Pulse?PulsedMIGTechnologyTacklesExoticMetals,Provide15to20PercentImprovement,1YearPayback

當(dāng)前第15頁\共有87頁\編于星期二\13點典型脈沖參數(shù)參考-11.2mm4043鋁合金焊絲當(dāng)前第16頁\共有87頁\編于星期二\13點典型脈沖參數(shù)參考-21.2mm5356鋁合金焊絲當(dāng)前第17頁\共有87頁\編于星期二\13點鋁合金脈沖MIG焊接參數(shù)與熔滴過渡的關(guān)系如何實現(xiàn)一脈一滴的熔滴過渡？一脈一滴是由脈沖參數(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)。n/11/11/n當(dāng)前第18頁\共有87頁\編于星期二\13點脈沖參數(shù)與弧長的關(guān)系當(dāng)前第19頁\共有87頁\編于星期二\13點脈沖MIG焊的熔滴過渡（鋁合金）當(dāng)前第20頁\共有87頁\編于星期二\13點脈沖MIG焊鋁——雙絲焊I1I2熔滴過渡電流波形當(dāng)前第21頁\共有87頁\編于星期二\13點脈沖MIG過程的深入分析數(shù)字化仿真技術(shù)焊接電弧模型化電源數(shù)字化模型MIG數(shù)字化模型當(dāng)前第22頁\共有87頁\編于星期二\13點MIG焊系統(tǒng)系統(tǒng)描述WeldingPowerSourceVAWireFeederWeldingArcWireFeeder當(dāng)前第23頁\共有87頁\編于星期二\13點MIG電弧模型從實際到抽象Lt-wLa+-ContactTipLeWorkPiece當(dāng)前第24頁\共有87頁\編于星期二\13點MIG焊系統(tǒng)的模型化從實際到抽象LcLa+-ContactTipLeWorkPieceWFSVAUoLoRo當(dāng)前第25頁\共有87頁\編于星期二\13點電弧電壓的分布CathodeArcColumnAnodeU－＋Uarc=Ucathode+Uarccolumn+Uanode當(dāng)前第26頁\共有87頁\編于星期二\13點電弧伏安特性的數(shù)學(xué)描述Ui0RaLa+-ContactTipLeLdWorkPieceLt-wVoltAmpLinearizationpiecewiselinearity當(dāng)前第27頁\共有87頁\編于星期二\13點電弧與電源的關(guān)系模型VoltAmpUps=UaUoIV-ACharacteristicoftheArcinGMAW

IntersectionUf

=k1+k2La+(k3La+k4Le)I當(dāng)前第28頁\共有87頁\編于星期二\13點焊絲熔化速度模型

Le

=Lt-w–LaWMR=m1UdaI+m2Lek4I2當(dāng)前第29頁\共有87頁\編于星期二\13點電弧弧長模型WMR——焊絲熔化速率；WFS——焊絲送絲速度。當(dāng)前第30頁\共有87頁\編于星期二\13點MIG焊中個參數(shù)之間的基本關(guān)系電弧電壓電弧電流焊絲干伸長電弧長度焊絲熔化速率當(dāng)前第31頁\共有87頁\編于星期二\13點脈沖MIG過程的控制技術(shù)要點在脈沖電流作用下，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-w在焊接過程中動態(tài)調(diào)節(jié)焊接電流，動態(tài)地滿足：

WMR=WFS弧長的控制調(diào)節(jié)方式當(dāng)前第32頁\共有87頁\編于星期二\13點I/I脈沖MIG電壓反饋積分電壓設(shè)定積分當(dāng)前第33頁\共有87頁\編于星期二\13點U/I脈沖過程波形當(dāng)前第34頁\共有87頁\編于星期二\13點ACCU脈沖過程波形當(dāng)前第35頁\共有87頁\編于星期二\13點脈沖MIG過程的控制原理（仿真）仿真工具：LAbVIEW當(dāng)前第36頁\共有87頁\編于星期二\13點U/I及ACCU的優(yōu)點脈沖頻率固定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)?；￠L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視頻資料當(dāng)前第37頁\共有87頁\編于星期二\13點U/I及ACCU脈沖控制的關(guān)鍵技術(shù)對電源的要求：平特性與陡特性的在線快速轉(zhuǎn)換技術(shù)途徑：利用電源的復(fù)合外特性控制技術(shù)

當(dāng)前第38頁\共有87頁\編于星期二\13點如何解決電源的CC/CV特性轉(zhuǎn)換了解電源外特性控制的基本原理分析現(xiàn)有產(chǎn)品的中實現(xiàn)方法從外特性變化到脈沖的關(guān)系當(dāng)前第39頁\共有87頁\編于星期二\13點CC特性的實現(xiàn)一次電源都是恒壓源（CV）二次電源實現(xiàn)CC采用電流反饋所謂電流反饋的實質(zhì)是根據(jù)負(fù)載變化引起電流變化的大小和方向調(diào)整輸出電壓R1R2V1V2IVI1I2當(dāng)前第40頁\共有87頁\編于星期二\13點CV特性的實現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)+電壓外環(huán)是焊機(jī)中常用的CV方式采用電壓反饋控制電流反饋的給定電流內(nèi)環(huán)條件下所謂電壓反饋的實質(zhì)是根據(jù)負(fù)載變化引起電壓變化的大小和方向調(diào)整輸出電流R1R2V1V2IVI1I2當(dāng)前第41頁\共有87頁\編于星期二\13點+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-

輸出量當(dāng)前第42頁\共有87頁\編于星期二\13點HC-II系列電源外特性曲線當(dāng)前第43頁\共有87頁\編于星期二\13點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當(dāng)前第44頁\共有87頁\編于星期二\13點HM系列電源外特性曲線當(dāng)前第45頁\共有87頁\編于星期二\13點電流內(nèi)環(huán)+電壓外環(huán)控制電路當(dāng)前第46頁\共有87頁\編于星期二\13點優(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)當(dāng)前第47頁\共有87頁\編于星期二\13點電流內(nèi)環(huán)+電壓外環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達(dá)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)

當(dāng)前第48頁\共有87頁\編于星期二\13點CCPOWERV-ACharacteristic恒流電源外特性曲線當(dāng)前第49頁\共有87頁\編于星期二\13點CVPOWERV-ACharacteristic恒壓電源外特性曲線當(dāng)前第50頁\共有87頁\編于星期二\13點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當(dāng)前第51頁\共有87頁\編于星期二\13點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當(dāng)前第52頁\共有87頁\編于星期二\13點電壓/電流復(fù)合脈沖電路原理當(dāng)前第53頁\共有87頁\編于星期二\13點改變電壓實現(xiàn)電流脈沖的原理Ip=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo（U=15+0.05I）當(dāng)前第54頁\共有87頁\編于星期二\13點脈沖峰值時的電壓/電流復(fù)合作用-△I+△LIp=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo當(dāng)前第55頁\共有87頁\編于星期二\13點脈沖基值時的電壓/電流復(fù)合作用+△I-△LIp=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo當(dāng)前第56頁\共有87頁\編于星期二\13點電壓/電流復(fù)合脈沖工作原理+△I-△I-△L+△LIp=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo當(dāng)前第57頁\共有87頁\編于星期二\13點脈沖MIG對送絲機(jī)的要求高精度，要求送絲速度與脈沖參數(shù)之間的精確匹配高響應(yīng)速度，實現(xiàn)高質(zhì)量的引弧和收弧的必要技術(shù)手段數(shù)字化的AC伺服電機(jī)已經(jīng)成為高檔脈沖MIG的送絲驅(qū)動的首選電機(jī)因此目前認(rèn)為：數(shù)字化焊機(jī)應(yīng)該包括送絲機(jī)的數(shù)字化當(dāng)前第58頁\共有87頁\編于星期二\13點初期實驗方案快速實現(xiàn)基本控制思想（電流/電壓復(fù)合控制）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(jī)當(dāng)前第59頁\共有87頁\編于星期二\13點產(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(jī)實現(xiàn)完整的嵌入式控制數(shù)字化脈沖MIG焊機(jī)當(dāng)前第60頁\共有87頁\編于星期二\13點數(shù)字化電源框圖當(dāng)前第61頁\共有87頁\編于星期二\13點數(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)計及程序框圖當(dāng)前第62頁\共有87頁\編于星期二\13點數(shù)字焊接電源系統(tǒng)控制芯片（DSP+CPLD）選擇當(dāng)前第63頁\共有87頁\編于星期二\13點數(shù)字化焊機(jī)操作面板幾種形式LED方式LCD方式傳統(tǒng)方式+上位機(jī)當(dāng)前第64頁\共有87頁\編于星期二\13點Fronius

TPS系列控制面板——LED設(shè)置旋鈕顯示區(qū)材料選擇操作模式選擇當(dāng)前第65頁\共有87頁\編于星期二\13點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)定所有焊接相關(guān)功能而無需對電源內(nèi)部進(jìn)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(xí)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。OTCDP400當(dāng)前第66頁\共有87頁\編于星期二\13點LEDPanasonic350GR3、500GR3當(dāng)前第67頁\共有87頁\編于星期二\13點HD-500LED當(dāng)前第68頁\共有87頁\編于星期二\13點CLOOSLEDLCD當(dāng)前第69頁\共有87頁\編于星期二\13點大屏幕的液晶顯示電腦化操作界面CLOOSLCD當(dāng)前第70頁\共有87頁\編于星期二\13點LINCOLNPOWERWAVE455M/STT林肯焊機(jī)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(jī)的聯(lián)機(jī)功能和波形設(shè)計軟件。所以說：數(shù)字化不一定體現(xiàn)在外觀控制面板——傳統(tǒng)形式+上位機(jī)當(dāng)前第71頁\共有87頁\編于星期二\13點上位機(jī)功能是發(fā)展方向當(dāng)前第72頁\共有87頁\編于星期二\13點高頻逆變電源的實現(xiàn)60-100KHz的逆變電源在高檔逆變焊機(jī)中已經(jīng)成為一種主流，這主要是因為控制對機(jī)器響應(yīng)速度的要求單管技術(shù)的崛起支持了高頻化模塊化、組合式支持了大功率當(dāng)前第73頁\共有87頁\編于星期二\13點雙單端組合的逆變電源目前實施中的ZX7-315主電路當(dāng)前第74頁\共有87頁\編于星期二\13點關(guān)于交流伺服電機(jī)用于送絲機(jī)的問題交流伺服電機(jī)是目前性能最優(yōu)異的電機(jī)之一，交流伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)就是一個復(fù)雜的數(shù)字化控制器交流伺服電機(jī)目前主要用于數(shù)控運(yùn)動系統(tǒng)，用于焊接送絲機(jī)不是可不可以的問題，只是是否經(jīng)濟(jì)合算的問題一臺低檔交流伺服電機(jī)價格相當(dāng)于一臺中檔的焊機(jī)，因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(jī)中，交流伺服電機(jī)已經(jīng)開始應(yīng)用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)的必要支持當(dāng)前第75頁\共有87頁\編于星期二\13點例如：CMT工藝的特征AC交流伺服馬達(dá)在焊槍內(nèi)非常迅捷改變送絲速度是實現(xiàn)CMT工藝的先決條件當(dāng)前第76頁\共有87頁\編于星期二\13點CMT過程示意圖t=0mst=4.59mst=6.21mst=7.56mst=11.34mst=13.23mst=13.77mst=14.31ms反抽焊絲是技術(shù)核心，交流伺服電機(jī)是個必需的當(dāng)前第77頁\共有87頁\編于星期二\13點例如：精確控制引弧過程的方法引弧視頻資料當(dāng)前第78頁\共有87頁\編于星期二\13點高性能的薄板低電流焊接問題目標(biāo)定位于：2mm鋁板，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MIG當(dāng)前第79頁\共有87頁\編于星期二\13點CLOOS的冷焊技術(shù)交流脈沖MIG當(dāng)前第80頁\共有87頁\編于星期二\13點工作進(jìn)度安排——項目內(nèi)容電源（功率模塊+控制模塊）焊接工藝試驗（參數(shù)數(shù)據(jù)庫建立）操作面板（數(shù)據(jù)庫的一元化使用及焊接時序）送絲機(jī)（使用交流伺服電機(jī)）焊接試驗工作臺（焊接參數(shù)數(shù)據(jù)庫建立必備）聯(lián)機(jī)調(diào)試當(dāng)前第81頁\共有87頁\編于星期二\13點電源電源功率模塊采用單管IGBT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(jī)50工作日，第二階段完善改進(jìn)30工作日，第三階段定性20工作日控制部分采用DSP或ARM，實現(xiàn)PWM的數(shù)字化控制。第一階段樣機(jī)60工作日（硬件30日、軟件30日），第二階段改進(jìn)完善30工作日，第三階段定型20工作日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）當(dāng)前第82頁\共有87頁\編于星期二\13點焊接工藝試驗脈沖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(jī)中的送絲速度的最低分辨率為0.1米）一個數(shù)據(jù)點，當(dāng)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?？梢圆捎貌逯邓惴?，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(jìn)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3×３×4０＝360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。當(dāng)前第83頁\共有87頁\編于星期二\13點比較完整的脈沖MIG焊接工藝參數(shù)內(nèi)容當(dāng)前第84頁\共有87頁\編于星期二\13點焊機(jī)操作面板焊機(jī)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