DSP控制CO2焊引弧研究

金健，姚河清，雷小偉

(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022)

DSP控制CO2焊引弧研究

金健，姚河清，雷小偉

(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022)

CO2焊是一種生產(chǎn)效率高、成本低的高效焊接方法。傳統(tǒng)的CO2焊采用接觸式短路引弧，引弧時(shí)間長(zhǎng)、成功率不高、穩(wěn)定性差。分析了影響和提高引弧成功率的因素，并以DSP控制焊機(jī)為平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種通過(guò)限制引弧過(guò)程焊接電流來(lái)進(jìn)行引弧的方法。該引弧方法中，焊接過(guò)程中的電流為被控制對(duì)象，在電壓為空載及以上，短路剛發(fā)生即電流不為零時(shí)就對(duì)電流進(jìn)行控制，使整個(gè)引弧過(guò)程中電流值不大于給定峰值，從而達(dá)到限制引弧電流的目的。試驗(yàn)證明，該方法引弧時(shí)間短、一次性引弧成功率高、穩(wěn)定性好，為后續(xù)CO2焊接穩(wěn)定可靠的進(jìn)行提供了有利條件。

CO2氣體保護(hù)焊；DSP控制；限流引弧

0 前言

短路過(guò)渡是CO2氣體保護(hù)焊通常采用的熔滴過(guò)渡形式，易于實(shí)現(xiàn)全位置焊接。其引弧方式采用接觸式引弧，也稱為短路引弧。引弧成功與否、能否一次性可靠的引弧，直接關(guān)系到后續(xù)焊接能不能正常進(jìn)行，尤其是在焊接自動(dòng)化領(lǐng)域。而引弧時(shí)如果控制不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)大段的爆斷。這種爆斷一方面會(huì)直接影響焊接質(zhì)量，造成焊縫缺陷，影響美觀；另一方面，有可能造成斷弧，造成再次引弧，浪費(fèi)時(shí)間。因此，提高引弧成功率和穩(wěn)定性是CO2焊可靠穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提。

本研究通過(guò)自建的基于德州儀器TMS320F2806 DSP控制逆變CO2焊機(jī)平臺(tái)，設(shè)計(jì)出一種引弧方法，該方法以限制引弧時(shí)電流為手段。試驗(yàn)證明，在此平臺(tái)本焊機(jī)一次引弧成功率高且電弧穩(wěn)定、飛濺小。

1 引弧過(guò)程焊絲受熱分析和影響引弧成功的因素

1.1 焊絲受熱分析

如圖1所示，CO2氣體保護(hù)焊引弧時(shí)首先送進(jìn)焊絲，并逐漸接近工件，當(dāng)焊絲接觸工件的一瞬間，電源提供較大的電流，迫使焊絲在A點(diǎn)(焊絲端頭與母材的接觸點(diǎn))爆斷，進(jìn)一步引弧。如果在B點(diǎn)(焊絲與導(dǎo)電嘴接觸點(diǎn))爆斷，則引弧必將失敗。

圖1 引弧示意Fig.1 Chart of arc ignition

假設(shè)Ra為A點(diǎn)的接觸電阻，Rb為B點(diǎn)與焊槍間的接觸電阻。A、B點(diǎn)要想發(fā)生爆斷，那么在這兩點(diǎn)附近的電阻熱必須足夠大，而電阻熱的大小與接觸電阻的大小有關(guān)。在焊絲與工件接觸的瞬間，Rb基本不變，Ra可以瞬間為無(wú)窮大。隨著短路電流的增加，A點(diǎn)迅速軟化，Ra急劇減小。此時(shí)，如果能夠保證A點(diǎn)比B點(diǎn)先熔斷，那么必須在Ra很大時(shí)快速上升短路電流，即提高短路電流增長(zhǎng)速度dis／dt。否則隨著時(shí)間的增加，如果在B點(diǎn)附近的電阻熱大于A點(diǎn)附近電阻熱，那么A點(diǎn)不能及時(shí)爆斷，而是B點(diǎn)發(fā)生爆斷，必將導(dǎo)致引弧失敗，并有可能發(fā)生回?zé)龑?dǎo)電嘴的現(xiàn)象，損壞焊接設(shè)備。

1.2 影響引弧成功的因素

常見(jiàn)的提高引弧成功率的方法有：對(duì)焊接電源特性采用啟動(dòng)補(bǔ)償；提高電流上升率dis／dt；提高短路峰值電流；慢送絲引?。徊⒙?lián)電容法；去球FTT或引弧前預(yù)先用鋼絲鉗將焊絲末端剪尖；在半自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊時(shí)采用滑擦引弧方式；在電極與工件之間并聯(lián)電容；增加瞬時(shí)引弧電流，改善引弧性能等[1－5]。

早期的接觸式引弧研究主要是解決引弧成功率的問(wèn)題。傳統(tǒng)概念上的引弧成功的標(biāo)志是：焊絲與工件接觸后，電弧能夠在焊絲與工件之間迅速引燃。引弧失敗的標(biāo)志是：焊絲與工件接觸后，電弧在焊絲與導(dǎo)電嘴之間引燃出現(xiàn)問(wèn)題，并導(dǎo)致焊絲成段爆斷。而解決上述問(wèn)題的途徑就是提高引弧階段的短路電流上升速度dis／dt。

現(xiàn)代逆變焊機(jī)中，焊接回路的電感值較小，使焊接回路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度大大提高，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度可以小于1 ms。因此逆變電源引弧時(shí)，短路電流增長(zhǎng)速度很快，保證A點(diǎn)先于B點(diǎn)熔化，一次引弧成功率為100%。但傳統(tǒng)意義上的引弧由于在恒電壓外特性下，焊接電流是被動(dòng)的，故焊接電流處于不受控狀態(tài)下。這種不受控的焊接電流波動(dòng)性較大，一方面會(huì)燒毀功率器件，另一方面會(huì)引起焊絲發(fā)生成段的爆斷，導(dǎo)致整個(gè)引弧過(guò)程失敗。

2 CO2限流引弧法

根據(jù)上述分析，引弧過(guò)程中對(duì)焊接電流進(jìn)行控制將大大提高引弧過(guò)程的穩(wěn)定性，能夠保證可靠的一次性引弧成功。本平臺(tái)以此為目的，設(shè)計(jì)了一種通過(guò)控制引弧時(shí)電流來(lái)達(dá)到穩(wěn)定可靠引弧的程序，充分發(fā)揮數(shù)字信號(hào)處理器高速運(yùn)算的能力，實(shí)時(shí)采樣電壓、電流值，有效控制引弧的各個(gè)過(guò)程，以此來(lái)限制引弧過(guò)程中的電流值。

由于送絲速度的快慢也是引弧成功與否的關(guān)鍵因素，故本平臺(tái)在引弧過(guò)程采用慢送絲引弧。整個(gè)限流控制過(guò)程簡(jiǎn)述如下：焊絲以慢送絲速度送進(jìn)，當(dāng)焊絲接觸到工件，焊絲與工件之間發(fā)生短路，焊接電壓迅速下降，同時(shí)在電壓下降的過(guò)程中電流上升；當(dāng)電壓還在空載時(shí)，電流產(chǎn)生瞬間，即起動(dòng)引弧程序，不斷采樣電流得到反饋值，反饋值與給定值進(jìn)行比較，通過(guò)PI調(diào)節(jié)改變占空比，經(jīng)輸出電抗器濾波后使實(shí)際輸出的電流值與給定值趨于一致，最終達(dá)到控制電流的目的。在整個(gè)引弧過(guò)程中，電流始終是可控的，而且從調(diào)節(jié)過(guò)程來(lái)看，整個(gè)過(guò)程也可稱為恒電流引弧過(guò)程。

現(xiàn)代逆變焊機(jī)中，輸出回路的電感值較小，大約為幾十μ H，使得短路電流上升速度較快，故焊接回路動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度高，電流上升速度快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間大約為0.5～1.5 ms，滿足引弧時(shí)電流上升率需求。但傳統(tǒng)的接觸式短路引弧，焊絲與工件接觸后，電壓會(huì)迅速下降，通常是電壓下降到短路電壓后對(duì)電壓進(jìn)行判斷，從而進(jìn)入引弧程序，電流通常是不可控的，整個(gè)引弧過(guò)程穩(wěn)定性差。而本平臺(tái)采取的限流引弧法，從電壓在空載以上并且出現(xiàn)電流(剛短路)時(shí)即對(duì)電流進(jìn)行控制，使整個(gè)引弧電流值不超過(guò)給定的峰值電流值，避免過(guò)大的不可控的短路電流對(duì)電路和引弧過(guò)程的沖擊，在很大程度上提高引弧過(guò)程的穩(wěn)定性。

具體控制流程如圖2所示。

程序流程詳述如下：當(dāng)電源控制電路檢測(cè)到手柄開(kāi)關(guān)合上后，打開(kāi)氣閥，提前送氣2 s，送氣完成后，電源輸出60 V空載電壓，同時(shí)以2 m／min速度送進(jìn)焊絲。焊絲接觸到工件后發(fā)生短路，電壓下降，電流上升，檢測(cè)電路不斷地檢測(cè)電壓、電流值，電壓以45V為判斷標(biāo)準(zhǔn)，電流以是否為零作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)檢測(cè)到電流不為零，而電壓為45～60 V的任何狀態(tài)，那么即進(jìn)入恒電流引弧程序。在恒電流引弧控制程序中，通過(guò)電流檢測(cè)，比較采樣值與給定值并加以調(diào)節(jié)，使實(shí)際電流能夠從零迅速增大到300 A，在瞬間使焊絲在A點(diǎn)附近發(fā)生爆斷。A點(diǎn)爆斷后，焊絲與工件之間出現(xiàn)一段微小的間隙，由于從短路接觸到A點(diǎn)附近發(fā)生爆斷的瞬間，電壓會(huì)從短路電壓上升到較大值，兩極之間的電場(chǎng)強(qiáng)度急劇增大，擊穿焊絲末端和工件之間的間隙，產(chǎn)生大量電壓較低的金屬蒸汽，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下能發(fā)生強(qiáng)烈的場(chǎng)致發(fā)射和場(chǎng)致電離，大大增加帶電粒子數(shù)量，那么后續(xù)焊接電源就能夠提供電流，引燃電?。划?dāng)檢測(cè)電路檢測(cè)到電流不為零，同時(shí)電壓為10～45 V，即判定引弧成功，進(jìn)入正常的焊接程序，并通過(guò)CAN總線向送絲控制系統(tǒng)發(fā)送正常焊接信號(hào)，送絲控制系統(tǒng)接收到信號(hào)后以正常焊接工藝參數(shù)設(shè)定的送絲速度送進(jìn)焊絲。完成此整個(gè)過(guò)程才能實(shí)現(xiàn)成功引弧。在整個(gè)引弧過(guò)程中，只要檢測(cè)到電流為零，即認(rèn)為熄弧或者是引弧不成功，進(jìn)行再次慢送絲引弧。

圖2 限流引弧控制流程Fig.2 Flow chart of limiting arc ignition control

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)平臺(tái)：采用自搭建數(shù)字控制軟開(kāi)關(guān)逆變式焊機(jī)和實(shí)心焊絲進(jìn)行CO2氣體保護(hù)焊接接觸引弧試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：保護(hù)氣體為100%CO2；氣體流量15L／min；焊絲直徑φ 1.2mm；焊絲牌號(hào)H08Mn2Si；送絲方式為等速送絲，慢送絲速度2m／min，正常送絲速度3.5m／min、6.5m／min；正常燃弧電壓為24V恒壓；試驗(yàn)用板材為低碳鋼，尺寸300 mm×80 mm×6 mm；導(dǎo)電嘴與工件間距離15mm，焊槍運(yùn)動(dòng)方向與工件垂直。

在自動(dòng)焊的條件下進(jìn)行引弧，引弧成功后分別采用兩種送絲速度進(jìn)行焊接，引弧時(shí)的電壓和電流波形如圖3所示。其中波形A為焊接電壓(經(jīng)分壓濾波后得到)，波形B為焊接電流(霍爾電流傳感器采得的電流經(jīng)采樣電阻得到，故顯示的是電壓值)。其中波形A中，每格為13 V；波形B中，每格為330 A；橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，每格為10 ms。

圖3 焊接實(shí)時(shí)波形Fig.3 Real－time waveform of welding

其他條件不變，兩種不同的送絲速度下，焊縫照片如圖4所示。

圖4 不同送絲速度下焊縫照片F(xiàn)ig.4 Welding seam on different wire weeding speed

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)電壓波形。

兩種不同的正常送絲速度下，起始段電壓都處于空載60 V，當(dāng)焊絲以同樣速度慢送絲時(shí)，焊絲接觸到工件，兩電極之間接觸發(fā)生短路，此時(shí)電壓會(huì)快速下降到短路電壓，電流迅速上升。由于電壓采樣電路采用濾波處理，示波器對(duì)電壓波形亦進(jìn)行了濾波處理，并且整個(gè)短路接觸時(shí)間極短，故實(shí)時(shí)波形圖中從空載電壓到短路電壓、再由短路電壓到正常燃弧電壓段波形未完全顯示出來(lái)。但在圖3中，電流由零開(kāi)始上升點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于電壓下降到的點(diǎn)，大約為48 V，與程序設(shè)計(jì)相符；正常的燃弧電壓均在24 V，亦符合設(shè)定的燃弧電壓24 V。

(2)電流波形。

由于輸出回路電感值較小，電流從零到峰值段斜率很大，時(shí)間很短，說(shuō)明電流上升速率很快，傳統(tǒng)的電流上升率僅為100 000 A／s，而本試驗(yàn)約為800 000 A／s，大大提高引弧的成功率[7]。同時(shí)，電流峰值約為160 A，并沒(méi)有達(dá)到程序設(shè)計(jì)的300A時(shí)電弧就已經(jīng)引燃。該現(xiàn)象說(shuō)明電流峰值被限制在300 A及以下，因此這種方法可以稱為限制電流法引弧，如果引弧電流能達(dá)到300 A就以300A恒電流輸出，如果達(dá)不到300A，那么就以300A以下恒電流輸出。整個(gè)引弧過(guò)程中，電流始終處于可控的狀態(tài)下。

(3)引弧時(shí)間。

圖3中，電壓從空載60 V到正常焊接電壓，整個(gè)過(guò)程大約1～2 ms，而這個(gè)過(guò)程就是引弧過(guò)程。傳統(tǒng)的引弧整個(gè)過(guò)程約為9～10 ms。本平臺(tái)引弧時(shí)間短，一方面是由于回路電感值較小，電流上升非?？欤瑥牧愕椒逯荡蠹s1 ms，另一方面，整個(gè)引弧過(guò)程中，焊接參數(shù)穩(wěn)定，達(dá)到了一次性可靠引弧。而引弧時(shí)間與電流上升時(shí)間近乎相等，也證明了本平臺(tái)對(duì)電流的控制策略是正確的。

(4)引弧穩(wěn)定性。

兩種不同正常送絲速度下得到的焊縫如圖4所示。引弧段處于整個(gè)焊縫的開(kāi)始處，由圖4可知，開(kāi)始處，飛濺小，焊縫成形良好，無(wú)斷弧現(xiàn)象出現(xiàn)。其主要原因是通過(guò)程序?qū)φ麄€(gè)引弧段電流進(jìn)行控制，避免了傳統(tǒng)引弧時(shí)電流不穩(wěn)定造成的飛濺大、斷弧等現(xiàn)象。同時(shí)，從焊接實(shí)時(shí)波形圖中也可以看到，從空載到正常燃弧段，焊接電壓、電流波形均是一個(gè)平穩(wěn)過(guò)渡的過(guò)程。而引弧段良好的焊縫成形亦是焊接電壓、電流穩(wěn)定性的體現(xiàn)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)CO2接觸引弧動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究，充分發(fā)揮DSP芯片處理速度快的優(yōu)點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)了一種引弧控制方案，建立以數(shù)字焊接電源為核心、焊接過(guò)程參數(shù)采集分析系統(tǒng)為輔的試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)表明，本研究設(shè)計(jì)的引弧方法能極大的縮短引弧時(shí)間，且引弧過(guò)程穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)。一次可靠性的引弧，為以后的CO2焊穩(wěn)定可靠地進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。

[1]王宗杰.熔焊方法及設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

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Study on DSP controlled CO2arc ignition

JIN Jian，YAO He－qing，LEI Xiao－wei
(College of Mechanical＆Electrical Engineer，Hohai University，Changzhou 213022，China)

CO2welding is a method with high efficiency and cost low.Touch short－circuit arc ignition is used in Traditional CO2welding，this method usually costs too much time，has a low success rate and poor stability.The article analyzes the factors of success rate.Basing on DSP controlled，we design a method of arc ignition by limiting short－circuit current.In this method，the controlled object is current.When the voltage is in no－load or over voltage and the current is not zero，we begin to control the current，the aim is to make the current blow the given peak current，and at last we can achieve the aim to limit the current in arc ignition.The experiment proved that this method costs shorter time，has a higher success rate and strong stability.So，this method can provided favorable conditions for CO2arc welding.

CO2gas shielded arc welding；DSP controlled；arc ignition by limiting current

book=6,ebook=1

TG409；TG434.5

A

1001－2303(2012)06－0043－04

2011－01－13

金健(1985—)，男，安徽滁州人，碩士，主要從事焊接設(shè)備及自動(dòng)化方向相關(guān)工作。