精密微電弧焊接逆變電源的設計*

楊凱 曹彪 劉瀚波

(華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州510640)

微電弧焊接(MAW)是在傳統(tǒng)的鎢極氬弧焊(TIG)方法基礎上發(fā)展起來的，利用電極與工件之間能量可控的微電弧作焊接熱源，并通以惰性氣體對電極、電弧及熔池進行保護的熔焊方法. MAW 具有輸出波形控制精度高、電弧穩(wěn)定性高、焊接能量精細可控、焊接質量優(yōu)異、成本低廉等優(yōu)點，在汽車、電子、機械、光電、醫(yī)療器械等行業(yè)有著廣闊的應用前景［1］.近年來，隨著器件設備的微型化、生產工藝的綠色化，工件對焊接過程的焊接能量及電弧的穩(wěn)定性都提出了更高的要求［2-6］. 采用傳統(tǒng)的TIG 焊接工藝已難以滿足其焊接需求，因此微電弧焊接的應用日益廣泛.

微電弧焊接過程中電流通常較小(小于50 A)，其焊接電弧能量及穩(wěn)定性直接取決于焊接電源. 目前，微電弧焊接電源多采用基于場效應管(MOSFET)的逆變式主電路拓撲，控制系統(tǒng)則采用全數字化控制技術［6-8］. 隨著逆變技術及數字化控制技術的進步，微電弧焊接電源性能也得到了長足進步.目前，國外相關電源設備已實現5 A 以下電弧的穩(wěn)定燃燒，且已產業(yè)化［6］.國內相關研究多集中于高校、研究所，由于受小電流起弧不穩(wěn)定及電源輸出能量一致性較差等缺點的限制，國內相關電源設備還未形成產業(yè)化應用，高端微電弧電源設備市場多被歐美、日本等國占據. 因此，設計一種精密微電弧焊接電源關鍵在于提高小電流的起弧成功率及保證電弧能量精密輸出的穩(wěn)定性.

文中基于實際的工藝要求，分析了電弧負載的電特性，介紹了焊接過程的電流波形控制方案，比較了直流和脈沖兩種波形方案的優(yōu)缺點. 并設計了一種基于MOSFET 的逆變式精密微電弧焊接電源和以數字信號處理器(DSP)為控制核心的高性能控制系統(tǒng)，闡述了電源系統(tǒng)結構及其工作原理，介紹了有限雙極性軟開關控制方式的主要波形，提出了一種積分分離PID 控制算法. 同時分析了不同輸出模式下，電源負載的靜特性及脈沖動態(tài)特性，測試了電源在較小電流輸出時的穩(wěn)定性和精確性. 并對細線與端柱以及多股漆包線線端進行了焊接，以檢驗電源的負載適應性.

1 電弧負載特性及其波形控制方案

1.1 電弧負載特性分析

電源負載的電特性對電源的設計非常重要，因此，很有必要對電源的負載進行分析.焊接電弧是一種在具有一定電壓的兩電極之間的氣體介質中所產生的自持放電現象［9］，其電特性包括靜特性和動特性.直流TIG 電弧的靜特性曲線如圖1(a)所示［10］，由于焊接電弧的非線性特征，當焊接電流在較大范圍內變化時，靜特性曲線呈現U 型形狀，包含了下降特性、平特性和上升特性.脈沖TIG 電弧的動特性曲線如圖1(b)所示［10］，由于電弧的熱慣性，導致電弧動態(tài)特性曲線呈回線特征. 當焊接電流為脈沖電流時，電弧呈現為感性負載.圖中，lc為電極間距，U為電弧電壓，I 為電弧電流.

圖1 TIG 焊接電弧的電特性曲線［10］Fig.1 Electrical characteristic curves of TIG welding arc［10］

為滿足MAW 工藝要求，具備良好的負載適應性，應考慮電源外特性、電源調節(jié)性能和電源動特性3 方面的要求. MAW 過程中由于電流值較小，電弧靜特性主要工作在水平段，電源外特性應為下降特性或恒流特性.脈沖電流作用下，電弧負載變化劇烈，如何控制電流變化率、峰值及基值電流、穩(wěn)態(tài)恢復時間來提高電源的動態(tài)性能，都是需要考慮的.

1.2 微電弧波形控制方案

電源采用與TIG 焊電源相類似的波形控制方案，輸出的工藝時序控制如圖2 所示，包含了提前送氣(t1)，引弧、穩(wěn)弧(t2)，緩升(t3)，焊接(t4)，緩降(t5)，收弧(t6)和后通氣(t7)等過程［11］.

圖2 輸出電流波形示意圖Fig.2 Schematic diagram of output current waveform

采用圖2(a)所示的直流工藝時，熔池中殘存的保護氣體會使熔池部位產生氣孔以及皺紋等缺陷.圖2(b)所示的脈沖電流的控制技術保持了直流工藝過程的時序，將直流波形調整為脈沖方波，圖中I1、I2、I3為不同階段的脈沖電流幅值，Ib為脈沖電流基值.焊接時，利用可控的脈沖電流幅值加熱工件，以較小的電流基值Ib來維持電弧燃燒.通過調節(jié)脈沖頻率、占空比、脈沖電流基值、脈沖電流幅值，可實現對焊接熱輸入的控制，從而控制熔池及熱影響區(qū)的尺寸及質量.

2 電源系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結構及工作原理

圖3 電源系統(tǒng)結構框圖Fig.3 Structure diagram of power supply system

基于以上分析，設計了如圖3 所示的電源系統(tǒng).系統(tǒng)主要由主電路和控制部分組成，主電路采用脈寬調制(PWM)全橋逆變拓撲，包括輸入整流濾波電路、全橋逆變電路、高頻變壓器、次級輸出整流濾波電路和高頻引弧電路等部分;控制系統(tǒng)以DSP 控制器為核心，包括信號采樣電路、通信模塊電路及人機接口電路等，其中控制器產生的PWM 信號經驅動電路隔離放大后用于控制全橋逆變電路的開通與關斷.

電源的工作原理為:電網電壓(220 V)整流后經LC 濾波為直流電壓，通過由MOSFET Q1-Q4構成的全橋逆變電路轉換成高頻(100 kHz)交流方波脈沖電壓，經高頻變壓器T1降壓后接入次級整流濾波電路，之后輸出直流或直流脈沖波形到負載端.電源采用高頻高壓引弧，將電源空載電壓經引弧板后產生高頻高壓信號，通過耦合電感T2耦合到主電路輸出端，在鎢極與工件之間產生高頻高壓擊穿保護氣放電，引燃電弧. 起弧后關斷引弧電路，通過調整PWM 信號的占空比調節(jié)輸出電壓或電流，以保證電弧的穩(wěn)定燃燒.電源采用電流控制模式，工作過程中對負載端電壓和電流信號進行采樣調理后反饋至DSP，DSP 通過比較采樣反饋值與給定值產生偏差，經PID 運算后實現對PWM 信號占空比補償，從而實現對輸出電流的控制.同時，還對電網電壓和功率器件的運行溫度等信號進行檢測，以保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠.

電源主要輸出參數如下:空載電壓56 V，電流調節(jié)范圍5 ～50 A，最小電流分辨率0.1 A，各電流輸出階段時間范圍0 ～1000ms，最小時間分辨率0.1ms，脈沖頻率范圍1 ～500 Hz，占空比范圍為10% ～90%.

2.2 系統(tǒng)軟件及控制方法

為實現圖2 所示的電流波形曲線，設計的系統(tǒng)軟件流程如圖4 所示.主要包含引弧子程序、焊接子程序和收弧子程序等，實際焊接過程中系統(tǒng)會響應操作者的需求執(zhí)行或跳過相應的子程序.

2.2.1 全橋逆變器的控制方法

全橋逆變電路采用有限雙極性控制方法，其主要波形如圖5 所示，具體的電路工作模態(tài)分析見文獻［12-13］. 驅動信號Ug1- Ug4分別驅動MOSFET Q1-Q4，Ug1和Ug2為脈寬可調的定頻、變寬脈沖，Ug3和Ug4為頻率、脈寬固定的互補脈沖;Upri和Ipri分別為變壓器初級電壓和電流. 通過有限雙極性控制方式，使得MOSFET 工作在軟開關狀態(tài)，減小了高頻開關損耗.

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 Flow chart of system software

圖5 有限雙極性控制方式下逆變橋的主要波形Fig.5 Main waveforms of inverter bridge in limited bipolar control mode

2.2.2 積分分離PID 控制算法

電弧放電過程產生的高頻干擾嚴重影響電流信號采樣，而PID 控制中的微分環(huán)節(jié)對噪聲比較敏感，易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此常采用PI 控制 . 但若僅使用傳統(tǒng)的增量式PI 控制，在電弧擊穿階段及脈沖輸出時，短時間內系統(tǒng)輸出有較大偏差，會造成PI 運算的積分積累，致使計算得到的控制量超過調制脈沖的極限，造成較大的系統(tǒng)超調或產生振蕩［16］.在小電流電弧燃燒時，容易造成引弧失敗、斷弧和燃燒不穩(wěn)定等現象.因此，應適當地增加微分控制環(huán)節(jié)以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能. 系統(tǒng)采用積分分離PID 控制算法，既保持了積分作用，又減小了超調量，使得控制性能有較大的改善.其控制算法程序框圖如圖6 所示，圖中u(k)為調整后的控制量，g(k)為控制量補償值，umax為控制量上限值，umin為控制量下限值，ε 為偏差值的邊界值.

圖6 積分分離PID 控制算法程序框圖Fig.6 Program chart of integral separation PID control algorithm

3 實驗結果與分析

3.1 輸出波形分析

采用自制的微電弧焊接電源對黃銅柱子(1mm×2 mm)進行焊接，以氬氣為保護氣體，氣流量設為5 L/min，鎢針直徑為1.6 mm，電極間距保持為3 mm.設置不同的輸出波形參數，對電源輸出的電壓和電流波形曲線(見圖7)進行分析.

圖7 電源輸出波形Fig.7 Output waveforms of power suppl y

圖7(a)和7(b)分別為直流模式下的三段式和單段式輸出波形，電流波形穩(wěn)定，紋波抖動小，電流變化平緩，控制精度高. 起弧瞬間電流上升率較高，通過積分分離PID 控制算法抑制了電流過沖及振蕩，縮短了調整時間，使得引弧順暢、電弧柔順.引弧成功后維持小電流一段時間對工件進行預熱處理，隨后緩升至焊接電流對工件進行焊接. 焊接完成后電流緩降至電弧熄滅，避免因電流和電壓抖動造成較大的弧坑.啟動后，電壓維持空載電壓一段時間，起弧后電壓遵循最小電壓原理降至最小電壓. 圖7(a)對應的電壓-電流曲線如圖8(a)所示，直流模式下電弧處于穩(wěn)態(tài)，弧長保持不變，電弧靜特性工作在水平段，輸出電壓隨輸出電流的增加而稍有下降，呈現下降特性.

圖8 輸出波形電壓-電流曲線Fig.8 Voltage-current curves of output waveforms

圖7(c)和7(d)分別為三段式和單段式脈沖輸出波形，脈沖頻率分別為250 和100 Hz，脈寬比為0.5.圖中脈沖電流基值及幅值波形都較平穩(wěn)，負載切換時波形響應速度較快，電流尖峰及振蕩現象抑制較好.與直流模式相比，脈沖模式下電弧聲音更尖銳，脈沖頻率越高，聲音越尖銳. 電壓曲線與直流模式下較為相似，在脈沖基值與幅值切換時存在小范圍的脈動.圖7(c)中不同階段脈沖(脈沖1、脈沖2、脈沖3)波形對應的電壓-電流曲線如圖8(b)所示，在焊接電流增大的過程中，由于焊接電弧此前處于相對低的溫度狀態(tài)，電流的增加需要有較強的電場進行驅動，因此表現出電弧電壓有一定程度的增加;在焊接電流減小的過程中，由于焊接電流此前處于較高的溫度狀態(tài)，電弧的熱慣性不能立即對電流減小做出反應，電弧中仍然有較多游離的帶電粒子，電弧導電性仍然很強，電弧電壓處于相對低的水平，使得脈沖電弧的動特性曲線呈回線特征. 在弧長不變的情況下，脈沖幅值越大，其回線越長;脈沖電流變化率越快，回線包圍的面積越大.

3.2 波形一致性分析

設置電源輸出為如圖9(a)所示的單個脈沖，脈沖持續(xù)時間為50 ms，基值電流為0 A，幅值電流不等.在其他條件相同的情況下，于幅值電流為9.5、18、36 A 時分別連續(xù)重復試驗35 次，對每次試驗的電壓和電流數據濾波后進行有效值處理［17］，比較、分析輸出波形的一致性.

有效值處理后的電流值如圖9(b)所示，電流值的誤差曲線如圖9(c)所示，輸出電流值與設定值基本相同，電流控制精度在±3%以內. 目前報道的相關電源的電流控制精度一般為±5%左右［6］，相比而言研制的電源在電流控制精度方面有一定程度的提升.根據式(1)，計算出單個脈沖的能量，如圖9(d)所示，輸出電流相同時，輸出脈沖能量值基本相同，偏差率較小;大電流輸出時，脈沖能量值更大，偏差率變化不大.通過對脈沖電流值及脈沖作用時間等參數的精確控制，實現對輸出能量Q的精密控制，保證焊接一致性.

圖9 輸出波形一致性曲線Fig.9 Consistency curves of output waveforms

3.3 焊接效果分析

為檢驗電源的負載適應性，采用表1 中參數組1所示的工藝參數，對直徑為0.03 mm 的細線與寬度為0.8 mm 的方形端柱進行焊接，焊接效果如圖10(a)所示.細線與端柱結合部燒結成一個均勻光滑的圓球形成緊密連接，未出現細線由于熱脆性而斷裂的現象.采用表1 中參數組2 所示的工藝參數，對由3 根直徑同為0.85 mm 的漆包線組成的線端進行焊接，形成的焊接接頭如圖10(b)所示，燒結而成的圓球未出現裂紋及氣孔等缺陷.

表1 焊接工藝參數Table 1 Welding process parameters

圖10 實際焊接接頭效果圖Fig.10 Actual pictures of welded joints

4 結論

文中針對TIG 焊接過程中電流控制精度低和小電流穩(wěn)定性差等缺點，設計了一種精密微電弧焊接逆變電源;通過對MAW 過程電氣特性及焊接工藝的分析，主要結論如下:

(1)采用有限雙極性控制方法，可實現全橋逆變器的軟開關;設計的基于DSP 的控制系統(tǒng)可實現對微電弧參數的精確控制;電源輸出波形穩(wěn)定，能量控制精細，焊接一致性好.

(2)采用積分分離PID 控制算法可有效抑制引弧時電流過沖及振蕩，縮短了引弧時間，提高了引弧成功率，提高了小電流電弧燃燒的穩(wěn)定性.

(3)研制的微電弧點焊電源特別適合線與線以及線與端子的焊接，尤其是在微型精密零件的焊接方面有無可比擬的優(yōu)勢.

［1］Gordon L.Micro-arc welding/brazing of metal to metal and metal to ceramic joints:US，247770［P］.1981-03-26.

［2］Sinha N，Ahn H S，Williams R，et al.Packaging of surface micro machined thin film thermocouples(TFT):comparison of the resistance arc micro welding technique with wire bonding［J］.IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies，2009，32(2):252-260.

［3］Nowack M，Leidich S，Reuter D，et al. Micro arc welding for electrode gap reduction of high aspect ratio microstructures［J］.Sensors and Actuators A，2012，188(3):495-502.

［4］Sánchez-Tovar R，Monta?és M T.，García-Antón J.Effect of the micro-plasma arc welding technique on the microstructure and pitting corrosion of AISI 316L stainless steels in heavy LiBr brines［J］.Corrosion Science，2011，53(7):2598-2610.

［5］Zhang G J，Geng Z，Wu L，et al.Study on the measure to improve the arc stabilization in smaller current welding for the variable polarity GTAW power source ［J］. China Welding，2000，9(1):76-80.

［6］劉瀚波.精密微電弧點焊電源的研制［D］.廣州:華南理工大學機械與汽車工程學院，2012.

［7］熊振興，黃石生.現代數字化弧焊電源的發(fā)展［J］.電焊機，2010，40(4):7-10.Xiong Zhen-xing，Huang Shi-sheng. Development of modern digital arc welding power source［J］.Electric Welding Machine，2010，40(4):7-10.

［8］丁京柱，殷樹言，劉嘉.基于80C196KC 的CO2焊逆變電源數字波控系統(tǒng)［J］.機械工程學報，2002，38(2):145-147.Ding Jing-zhu，Yin Shu-yan，Liu Jia. Digital system with waveform control for CO2welding inverter based on Intel 80C196KC［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2002，38(2):145-147.

［9］安藤弘平，長谷川光雄. 焊接電弧現象［M］. 施雨湘譯，彭日輝，校.北京:機械工業(yè)出版社，1988.

［10］王宗杰.熔焊方法及設備［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［11］黃石生.弧焊電源及其數字化控制［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［12］曾敏，陳小紅，曹彪，等.一種微弧氧化逆變電源控制系統(tǒng)［J］.華南理工大學學報:自然科學版，2009，37(2):40-44.Zeng Min，Chen Xiao-hong，Cao Biao，et al.Control system of micro-arc oxidation inverter power supply ［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2009，37(2):40-44.

［13］楊凱，曹彪，丁理，等.逆變式高窄脈沖微弧氧化電源的設計［J］.華南理工大學學報:自然科學版，2014，42(9):18-23.Yang Kai，Cao Biao，Ding Li，et al. Design of high-frequency narrow-pulsed inverter power supply for micro-arc exidation［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2014，42(9):18-23.

［14］何建萍，孫廣，張春波，等.鎢極氬弧焊逆變電源系統(tǒng)PI 控制的Simulink 仿真整定［J］.焊接學報，2004，25(5):99-103.He Jian-ping，Sun Guang，Zhang Chun-bo，et al.Parameters adjusting of PI control to GTAW inverter system based on Simulink study［J］.Transactions of the China Welding Institution，2004，25(5):99-103.

［15］Yang Kai，Yang Guang，Cao Biao，et al. Digital control system of high frequency bipolar pulse power supply for acid pickling process［C］∥Proceedings of International Conference on Control Science and Systems Engineering.Yantai:IEEE，2014:61-65.

［16］Wang F X，He J P，Xiang F，et al.Study on multi-parameter control system of micro-plasma arc welding［C］∥Proceedings of International Conference on Intelligent System Design and Engineering Application. Changsha:IEEE，2010:463-466.

［17］段彬，孫同景，李振華，等.全數字逆變電源信號Kalman 預測處理［J］.電工技術學報，2010，25(1):118-122.Duan Bin，Sun Tong-jing，Li Zhen-hua，et al.Full digital inverter signal processing based on Kalman prediction［J］. Transactions of China Electro Technical Society，2010，25(1):118-122.