新型脈沖電子束焊接偏壓電源設(shè)計(jì)

齊鉑金 徐國(guó)寧 劉方軍 肖 攀

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100191)

1 問(wèn)題提出

電子束焊接是利用會(huì)聚的連續(xù)高速電子流轟擊焊件連接部位所產(chǎn)生的熱能使被焊金屬熔合的焊接方法.脈沖電子束焊接是相對(duì)于通常所說(shuō)的連續(xù)束流電子束焊接而言的，即將焊接束流調(diào)制成脈沖形式進(jìn)行焊接［1－2］.在保持同樣的功率情況下，脈沖電子束焊接比傳統(tǒng)的連續(xù)束流電子束焊接的穿透深度和深寬比要大30% ～50%［3］，能夠使中壓電子束焊透深度接近常規(guī)連續(xù)束流高壓電子束的焊透深度［4］.并且脈沖電子束焊接對(duì)薄壁件焊接能夠起到降低熱輸入和防止被焊工件過(guò)熱，減少焊接變形的效果.到目前為止，通過(guò)查詢國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，脈沖電子束焊接相關(guān)研究報(bào)道還不多見(jiàn).

脈沖電子束焊接電源由加速電源、陰極加熱電源和脈沖偏壓電源組成，如圖1所示，其中脈沖偏壓電源產(chǎn)生脈沖柵偏電壓，是實(shí)現(xiàn)脈沖束流的核心和關(guān)鍵.

圖1 脈沖電子束焊接電源總圖

脈沖偏壓電源的主要作用是控制和調(diào)節(jié)脈沖電子束流，它的原理是在陰極和柵極之間加脈沖柵極偏壓，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖柵極偏壓的參數(shù)調(diào)節(jié)脈沖電子束流的參數(shù).其中電子束流和柵偏電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖 2 所示［3－5］.

圖2 束流與柵偏電壓關(guān)系示意圖

從圖2中可以看出，隨著柵偏電壓值增大，束流值減小，高的柵偏電壓值對(duì)應(yīng)小的電子束流值，低的柵偏電壓值對(duì)應(yīng)大的電子束流值.

根據(jù)束流與柵偏電壓關(guān)系示意圖，施加的脈沖偏壓如圖3a所示，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的脈沖束流如圖3b所示.

圖3 脈沖束流與脈沖偏壓關(guān)系示意圖

脈沖偏壓由基值電壓Ub和峰值電壓Up組成.當(dāng)脈沖偏壓在峰值電壓Up時(shí)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生脈沖束流值為Ib，當(dāng)脈沖偏壓在基值電壓Ub時(shí)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生脈沖束流值為Ip.通過(guò)調(diào)整脈沖偏壓的基值電壓Ub的幅值調(diào)整脈沖束流Ip的幅值，通過(guò)調(diào)整脈沖偏壓的基值電壓Ub的幅值調(diào)整脈沖束流Ib的基值，通過(guò)調(diào)整脈沖偏壓的頻率和占空比調(diào)整脈沖束流的頻率和占空比.

從圖3中可看出如何產(chǎn)生和控制脈沖基值、脈沖峰值、脈沖頻率和占空比可調(diào)的脈沖偏壓是本文研究的重點(diǎn)，脈沖偏壓電源由獨(dú)立的偏壓基值和偏壓脈沖生成主電路和相應(yīng)的控制電路組成，其中的脈沖控制是通過(guò)控制前級(jí)低壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，此模式相對(duì)后級(jí)高壓脈沖控制簡(jiǎn)單可靠.

2 脈沖偏壓電源主電路設(shè)計(jì)

脈沖偏壓主電路拓?fù)淙鐖D4所示，脈沖偏壓主電路由2個(gè)相互獨(dú)立的偏壓基值產(chǎn)生電路和偏壓脈沖產(chǎn)生電路串聯(lián)而成，偏壓基值與偏壓脈沖可獨(dú)立控制與調(diào)節(jié)，其中偏壓基值幅值可調(diào)，偏壓脈沖幅值、頻率和占空比分別獨(dú)立可調(diào).

偏壓基值產(chǎn)生電路將380 V工頻交流電進(jìn)行三相全波整流濾波后，得到大約540 V左右的直流，整流濾波模塊包括整流橋B1、濾波電感L1和濾波電容C1;經(jīng)過(guò)由功率開(kāi)關(guān)管Q1、功率二極管D1、濾波電感L2和濾波電容C3組成的斬波降壓模塊將得到的直流進(jìn)行調(diào)節(jié);經(jīng)過(guò)由功率開(kāi)關(guān)管Q3和Q4，電容C5和C6組成的半橋逆變模塊把直流逆變成交流方波，連接到高頻升壓變壓器T1原邊，其中半橋逆變模塊預(yù)設(shè)為最大脈寬模式工作，起隔離變換作用;高頻升壓變壓器T1將原邊的電壓升壓;最后經(jīng)過(guò)由整流橋B2和濾波電容C9組成的高壓整流濾波模塊將交流方波整流為直流.電阻R3和R4為脈沖基值電壓的取樣電阻，偏壓基值產(chǎn)生電路輸出電壓正極通過(guò)限流電阻R1串聯(lián)到高壓電源的負(fù)極.

偏壓脈沖產(chǎn)生電路經(jīng)過(guò)由功率開(kāi)關(guān)管Q2、功率二極管D2、濾波電感L2和濾波電容C4組成的斬波降壓模塊將得到的直流進(jìn)行調(diào)節(jié);經(jīng)過(guò)由功率開(kāi)關(guān)管Q5和Q6，電容C7和C8組成的半橋逆變模塊把直流逆變成交流方波，連接到高頻升壓變壓器T2原邊;高頻升壓變壓器T2將原邊的電壓升壓;最后經(jīng)過(guò)由整流橋B3和濾波電容C10組成的高壓整流濾波模塊將交流方波整流為直流.偏壓脈沖產(chǎn)生電路輸出電壓正極通過(guò)限流電阻R2串聯(lián)到偏壓基值產(chǎn)生電路輸出電壓的負(fù)極，偏壓脈沖產(chǎn)生電路輸出電壓負(fù)極串聯(lián)到電子槍的柵極.電阻R5和R6為脈沖峰值電壓的取樣電阻.

圖4 脈沖偏壓電源主電路和控制電路結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)偏壓基值產(chǎn)生電路和偏壓脈沖產(chǎn)生電路均工作時(shí)，該偏壓電源能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖偏壓，即能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖電子束焊接.偏壓基值產(chǎn)生電路控制偏壓脈沖基值，偏壓脈沖產(chǎn)生電路控制偏壓脈沖峰值、偏壓脈沖頻率和偏壓脈沖占空比.

當(dāng)偏壓基值產(chǎn)生電路工作，而偏壓脈沖產(chǎn)生電路不工作時(shí)，偏壓基值產(chǎn)生電路輸出負(fù)極信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻R2流經(jīng)整流橋B3的二極管到達(dá)電子槍柵極，此時(shí)偏壓電源能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)直流偏壓，即能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)連續(xù)束流電子束焊接.

3 脈沖偏壓電源控制電路設(shè)計(jì)

本文利用TMS320LF2407A芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理，采用WEINVIEW MT6100i觸摸屏作為人機(jī)交互界面和SG2525芯片用于生成脈沖寬度調(diào)制(PWM，Pulse Width Modulation)方波.TMS320LF2407A集成了16通道脈寬調(diào)制PWM、16通道10位A/D轉(zhuǎn)換器、串行接口SCI模塊和控制器局域網(wǎng)絡(luò) CAN模塊等.豐富的資源與64 kB的外部尋址接口能很好地滿足控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求［6］.WEINVIEW觸摸屏支持MODBUS通信協(xié)議，本文通過(guò)編寫(xiě)專門(mén)針對(duì)DSP的MODBUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)觸摸屏與DSP相互通信.脈沖電流峰值、脈沖電流頻率和占空比等參數(shù)的設(shè)定與焊接過(guò)程的工作狀態(tài)顯示可以方便在觸摸屏上完成，提供了良好的人機(jī)交互界面，脈沖電子束焊接電源觸摸屏界面如圖5所示.

圖5 脈沖電子束焊焊接觸摸屏界面

本文的控制方式為:通過(guò)分別控制偏壓基值產(chǎn)生電路和偏壓脈沖產(chǎn)生電路的斬波降壓模塊調(diào)節(jié)偏壓脈沖基值和偏壓脈沖峰值;通過(guò)控制偏壓脈沖產(chǎn)生電路的半橋逆變模塊實(shí)現(xiàn)頻率和占空比可調(diào)的偏壓脈沖.

偏壓基值產(chǎn)生電路調(diào)節(jié)過(guò)程:偏壓基值產(chǎn)生電路主要通過(guò)調(diào)節(jié)斬波降壓模塊閉環(huán)控制完成.由偏壓基值給定值與對(duì)應(yīng)偏壓基值輸出反饋值進(jìn)行閉環(huán)比例積分控制器(PID，Proportional Integration Differential)運(yùn)算處理后，輸出PWM方波信號(hào);經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路后，控制斬波降壓模塊的開(kāi)關(guān)管，從而完成偏壓基值的調(diào)節(jié).對(duì)偏壓基值閉環(huán)調(diào)節(jié)采用電壓雙閉環(huán)PID調(diào)節(jié)，可以使得偏壓基值調(diào)節(jié)更加穩(wěn)定，如圖6所示.

圖6 脈沖峰值閉環(huán)控制原理圖

偏壓脈沖產(chǎn)生電路調(diào)節(jié)過(guò)程:根據(jù)本文主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以采用2種脈沖產(chǎn)生方式.第1種脈沖產(chǎn)生方式是通過(guò)控制斬波降壓模塊產(chǎn)生偏壓脈沖，即把斬波降壓模塊輸出Uo2調(diào)制成脈沖形式，半橋逆變模塊預(yù)設(shè)為最大脈寬模式工作，起隔離變換作用，從而實(shí)現(xiàn)最終偏壓脈沖輸出;調(diào)節(jié)過(guò)程為:由偏壓脈沖給定值Upg與斬波降壓模塊脈沖輸出反饋值Uo2進(jìn)行閉環(huán)PID運(yùn)算處理后，輸出PWM方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路后，控制斬波降壓模塊的開(kāi)關(guān)管Q2，從而完成偏壓脈沖的調(diào)節(jié).其中偏壓脈沖給定值Upg是利用DSP事件管理模塊EVA和EVB現(xiàn)有的PWM信號(hào)產(chǎn)生方式生成PWM脈沖，從而實(shí)現(xiàn)最終脈沖偏壓，閉環(huán)控制原理如圖7所示.

圖7 第1種脈沖產(chǎn)生方式控制原理圖

由于斬波降壓模塊由儲(chǔ)能元件電感和電容組成，為保證輸出平穩(wěn)性，電感和電容值選取較大，使得第1種脈沖產(chǎn)生方式電路動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，輸出波形不是嚴(yán)格的方波，下降沿變緩，如圖8所示.隨著脈沖頻率增高越來(lái)越明顯，當(dāng)脈沖頻率超過(guò)200 Hz時(shí)波形畸變嚴(yán)重.

第2種脈沖產(chǎn)生方式是斬波降壓模塊直流輸出作為偏壓脈沖峰值，通過(guò)開(kāi)通或關(guān)斷半橋逆變模塊實(shí)現(xiàn)最終偏壓脈沖輸出.

偏壓脈沖產(chǎn)生電路中斬波降壓模塊主要是調(diào)節(jié)偏壓脈沖峰值，為了精確控制偏壓脈沖峰值，控制采用電壓雙閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)偏壓脈沖峰值的閉環(huán)控制，閉環(huán)控制原理如圖9所示.

圖9 脈沖峰值閉環(huán)控制原理圖

實(shí)現(xiàn)對(duì)偏壓脈沖峰值的采集是偏壓脈沖峰值閉環(huán)控制中要解決的重要問(wèn)題.本文采用AD公司的PKD01峰值保持器采集偏壓脈沖峰值，PKD01峰值保持器采用跨導(dǎo)型運(yùn)算放大器，因而具有響應(yīng)速度快、通頻帶寬、線性好、峰值保持精度高等優(yōu)點(diǎn).對(duì)于具有瞬變峰值脈沖的信號(hào)，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)耐饨颖３蛛娙?，PKD01即可快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)并保持峰值脈沖信號(hào)，直至發(fā)送RST復(fù)位信號(hào)進(jìn)行清除為止.另外，DSP的10位A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間最小為500 ns，足以對(duì)脈沖峰值實(shí)現(xiàn)多次定時(shí)采樣.

半橋逆變模塊脈沖發(fā)生器采用PWM發(fā)生器芯片SG2525，通過(guò)控制SG2525的外部關(guān)斷信號(hào)輸入端(第10腳)的開(kāi)通關(guān)斷頻率實(shí)現(xiàn)半橋逆變模塊開(kāi)通關(guān)斷頻率，最終實(shí)現(xiàn)偏壓脈沖輸出.當(dāng)SG2525的外部關(guān)斷信號(hào)輸入端為高電平時(shí)，半橋逆變模塊的開(kāi)關(guān)管Q5和開(kāi)關(guān)管Q6全部關(guān)斷，此時(shí)偏壓脈沖產(chǎn)生電路輸出為零;當(dāng)SG2525的外部關(guān)斷信號(hào)輸入端為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管Q5和開(kāi)關(guān)管Q6交替開(kāi)通，此時(shí)偏壓脈沖產(chǎn)生電路最終輸出為固定值;通過(guò)控制SG2525的外部關(guān)斷信號(hào)輸入端脈沖的頻率實(shí)現(xiàn)最終的偏壓脈沖輸出.工作過(guò)程如圖10所示，其中圖10a為外部關(guān)斷輸入控制信號(hào)，通過(guò)一個(gè)邏輯電路連接到SG2525的第10腳，當(dāng)外部關(guān)斷輸入控制信號(hào)為高電平時(shí)，SG2525的第10腳為低電平;當(dāng)外部關(guān)斷輸入控制信號(hào)為低電平時(shí)，SG2525的第10腳為高電平.

圖10 第2種脈沖產(chǎn)生方式控制原理圖

在第1個(gè)周期內(nèi)，［0～t1］，外部關(guān)斷輸入信號(hào)為高電平，半橋逆變模塊正常輸出，偏壓脈沖輸出為直流電壓;［t1～t2］，外部關(guān)斷輸入控制信號(hào)為低電平，半橋逆變模塊關(guān)斷輸出，偏壓脈沖輸出為零;在t2以后，重復(fù)上個(gè)周期的動(dòng)作.從圖10a中可以看出，外部關(guān)斷輸入信號(hào)關(guān)斷的頻率和占空比控制偏壓脈沖的頻率和占空比.

SG2525外部關(guān)斷信號(hào)輸入端脈沖頻率和占空比是通過(guò)調(diào)節(jié)周期寄存器T1PER與其比較寄存器COMPR1的值完成的，其中在EVA選擇一路PWM輸出引腳，由相應(yīng)的比較控制寄存器ACTRA設(shè)定為高有效，記為PWMn，與該路PWM輸出相關(guān)的另外一路PWM不能使用.根據(jù)所設(shè)定脈沖頻率fn確定事件管理模塊周期寄存器T1PER中所存的數(shù)值Tnum=fclk/fn，其中 fclk為周期寄存器工作的時(shí)鐘頻率，fn為逆變器工作頻率.

第2種脈沖產(chǎn)生方式偏壓脈沖輸出波形如圖11所示.

圖11 第2種偏壓脈沖輸出波形

圖11的具體參數(shù)為:脈沖頻率為1 kHz，占空比50%，脈沖基值80 V，脈沖峰值400 V.從圖中可看出，脈沖電子束焊接偏壓電源的輸出電壓穩(wěn)定，按照設(shè)定脈沖頻率和占空比變化.相比在斬波降壓模塊實(shí)現(xiàn)脈沖輸出波形畸變小、控制精度高并能夠?qū)崿F(xiàn)更高的脈沖頻率.

4 試驗(yàn)

采用脈沖電子束焊接電源對(duì)3 mm厚度Ti-6Al-4V鈦合金板進(jìn)行電子束焊接試驗(yàn)，具體焊接參數(shù)如表1所示.

表1 試驗(yàn)用焊接工藝參數(shù)

試件1連續(xù)束流電子束焊接，其它試件為脈沖電子束焊接，焊接均是在保持相同焊透條件下進(jìn)行.在脈沖電子束焊接過(guò)程中，電子束流是間歇性打在工件上，在脈沖束流的沖擊作用下，熔池不斷熔化與冷卻凝固，隨著工件的移動(dòng)，電子束流在試件上前移，熔池下凹，熔化金屬被排斥在電子束前進(jìn)的后方，冷卻凝固后形成一系列弧形紋理.從圖12焊縫形貌來(lái)看，焊縫上表面寬度一致，弧紋均勻，隨著脈沖頻率的增加，弧紋間距逐漸減小，脈沖頻率160 Hz以后已經(jīng)看不出弧紋間距.從表1可以看出，脈沖電子束焊接的平均束流為8 mA，小于連續(xù)束流焊接的束流12 mA.在同樣加速電壓下脈沖電子束焊接在減少熱輸入的情況下與連續(xù)束流電子束焊接保持同樣的焊透性，說(shuō)明在相同平均輸入功率下，相比連續(xù)束流電子束焊接，脈沖電子束焊接的沖擊作用使得電子束焊接的穿透性更加顯著，并且焊縫寬度有減小的趨勢(shì).

圖12 電子束焊縫形貌

5 結(jié)論

本文開(kāi)發(fā)的脈沖電子束焊接偏壓電源，能夠根據(jù)設(shè)置的偏壓脈沖頻率、偏壓基值和偏壓脈沖峰值得到對(duì)應(yīng)的脈沖束流，經(jīng)測(cè)試脈沖偏壓電源具有輸出波形穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高和可靠性好等優(yōu)點(diǎn).

該電源主電路拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)常規(guī)連續(xù)束流焊接和脈沖束流焊接自由切換，即根據(jù)實(shí)際需要既能實(shí)現(xiàn)連續(xù)束流焊接，又能實(shí)現(xiàn)脈沖電子束焊接.

利用開(kāi)發(fā)的脈沖電子束偏壓電源組成的脈沖電子束焊接電源對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金板進(jìn)行脈沖電子束焊接，并和連續(xù)束流電子束焊接對(duì)比.試驗(yàn)證明在相同平均功率下，脈沖電子束焊接比連續(xù)束流電子束焊接的穿透性更加顯著，并且焊縫寬度有減小的趨勢(shì).

References)

［1］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:657 China Mechanical Engineering Society Welding Branch.Welding handbook［M］.Beijing:Engineering Industry Press，2007:657(in Chinese)

［2］張洪波，劉方軍，左從進(jìn).一種新型脈沖電子束焊接用PWM逆變式柵偏壓電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.航空制造技術(shù)，2004(增刊):188－191 Zhang Hongbo，Liu Fangjun，Zuo Congjin.Design of a pulsed gridbias supply with PWM in verter for pulsed electron beam welding［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2004(Supplement):188－191(in Chinese)

［3］Schultz H.Electron beam welding［M］.Abington:Abington Publishing，1994:38

［4］丘成茂.電子束焊接獲得深焊效應(yīng)的機(jī)理和方法［J］.電工電能新技術(shù)，1994:1－10 Qiu Chengmao.The deep penetration welding principle and method of electron beam welding［J］.Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy，1994:1 －10(in Chinese)

［5］American Welding Society.Recommended practices for electron beam welding［M］.Miami:Global Engineering Documents，1999

［6］劉和平，王維俊，江渝，等.TMS320LF240x DSP C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003:1－10 Liu Heping，Wang Weijun，Jiang Yu，et al.TMS320LF240x DSP C language exploitation and application［M］.Beijing:Beijing U-niversity of Aeronautics and Astronautics Press，2003:1 －10(in Chinese)